Pengertian Frekuensi Alami dalam Fisika
RANGKUMAN
- Frekuensi natural adalah kecepatan di mana suatu benda bergetar saat diganggu.
- Osilator harmonik sederhana dapat digunakan untuk memodelkan frekuensi alami suatu objek.
- Frekuensi alami berbeda dari frekuensi paksa, yang terjadi dengan menerapkan gaya ke suatu benda pada kecepatan tertentu.
- Ketika frekuensi paksa sama dengan frekuensi natural, sistem dikatakan mengalami resonansi.
Gelombang, Amplitudo, dan Frekuensi
Dalam fisika, frekuensi adalah sifat gelombang, yang terdiri dari serangkaian puncak dan lembah. Frekuensi gelombang mengacu pada berapa kali suatu titik pada gelombang melewati titik referensi tetap per detik.
Istilah lain dikaitkan dengan gelombang, termasuk amplitudo. Amplitudo gelombang mengacu pada ketinggian puncak dan lembah tersebut, diukur dari tengah gelombang hingga titik maksimum sebuah puncak. Gelombang dengan amplitudo yang lebih tinggi memiliki intensitas yang lebih tinggi. Ini memiliki sejumlah aplikasi praktis. Misalnya, gelombang suara dengan amplitudo yang lebih tinggi akan dianggap lebih keras.
Dengan demikian, benda yang bergetar pada frekuensi aslinya akan memiliki karakteristik frekuensi dan amplitudo, di antara sifat-sifat lainnya.
Osilator Harmonik
Osilator harmonik sederhana dapat digunakan untuk memodelkan frekuensi alami suatu objek.
Contoh osilator harmonik sederhana adalah bola di ujung pegas. Jika sistem ini tidak diganggu, ia berada pada posisi ekuilibriumnya - pegas terentang sebagian karena berat bola. Menerapkan gaya pada pegas, seperti menarik bola ke bawah, akan menyebabkan pegas mulai berosilasi, atau naik turun, tentang posisi kesetimbangannya.
Osilator harmonik yang lebih rumit dapat digunakan untuk menggambarkan situasi lain, seperti jika getaran "teredam" melambat karena gesekan. Jenis sistem ini lebih dapat diterapkan di dunia nyata - misalnya, senar gitar tidak akan terus bergetar tanpa batas setelah dipetik.
Persamaan Frekuensi Alami
Frekuensi natural f dari osilator harmonik sederhana di atas diberikan oleh
- f = ω/(2π)
di mana ω, frekuensi sudut, diberikan oleh √ (k / m).
Di sini, k adalah konstanta pegas, yang ditentukan oleh kekakuan pegas. Konstanta pegas yang lebih tinggi berarti pegas yang lebih kaku.
m adalah massa bola.
Melihat persamaan tersebut, kita melihat bahwa:
- Massa yang lebih ringan atau pegas yang lebih kaku meningkatkan frekuensi alami.
- Massa yang lebih berat atau pegas yang lebih lembut menurunkan frekuensi alami.
Frekuensi Alami vs. Frekuensi Paksa
Frekuensi alami berbeda dari frekuensi paksa , yang terjadi dengan menerapkan gaya pada suatu benda pada kecepatan tertentu. Frekuensi paksa dapat terjadi pada frekuensi yang sama atau berbeda dari frekuensi alaminya.
- Ketika frekuensi paksa tidak sama dengan frekuensi natural, amplitudo gelombang yang dihasilkan kecil.
- Ketika frekuensi paksa sama dengan frekuensi natural, sistem dikatakan mengalami “resonansi”: amplitudo gelombang yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan frekuensi lainnya.
Contoh Frekuensi Alami: Anak di Ayunan
Seorang anak yang duduk di ayunan yang didorong dan kemudian dibiarkan sendiri pertama-tama akan berayun maju mundur beberapa kali dalam jangka waktu tertentu. Selama waktu ini, ayunan bergerak pada frekuensi aslinya.
Untuk menjaga agar anak tetap berayun dengan bebas, mereka harus didorong pada waktu yang tepat. "Waktu yang tepat" ini harus sesuai dengan frekuensi alami ayunan agar ayunan mengalami resonansi, atau menghasilkan respons terbaik. Ayunan menerima lebih banyak energi dengan setiap dorongan.
Contoh Frekuensi Alami: Jembatan Runtuh
Terkadang, menerapkan frekuensi paksa yang setara dengan frekuensi natural tidaklah aman. Ini dapat terjadi pada jembatan dan struktur mekanis lainnya. Ketika jembatan yang dirancang dengan buruk mengalami osilasi yang setara dengan frekuensi alaminya, jembatan tersebut dapat bergoyang dengan keras, menjadi lebih kuat dan lebih kuat saat sistem memperoleh lebih banyak energi. Sejumlah “bencana resonansi” seperti itu telah didokumentasikan.