Laju bunyi: Perbedaan antara revisi
Tidak ada ringkasan suntingan Tag: Dikembalikan VisualEditor |
FelixJL111 (bicara | kontrib) k −Kategori:Satuan kecepatan; + 6 Kategori menggunakan HotCat |
||
(7 revisi perantara oleh 4 pengguna tidak ditampilkan) | |||
Baris 1: | Baris 1: | ||
''' |
'''Laju bunyi''' atau '''kecepatan bunyi''' atau '''cepat rambat bunyi''' adalah istilah yang digunakan untuk menyebut [[kelajuan]] [[gelombang bunyi]] yang merambat pada medium [[elastisitas (mekanika padat)|elastisitas]]. Pada [[ketinggian air laut]], dengan suhu 20 °C (68 °F) dan kondisi [[atmosfer]] normal, laju bunyi adalah 343 m/detik (1238 km/jam). Kelajuan rambatan gelombang bunyi ini dapat berbeda tergantung medium yang dilewati (misalnya bunyi lebih cepat melalui [[air]] daripada [[udara]]), sifat-sifat medium tersebut, dan [[suhu]]. |
||
Laju bunyi pada [[gas ideal]] hanya tergantung pada suhu dan komposisinya. Laju bunyi memiliki keterikatan secara lemah terhadap frekuensi dan tekanan pada udara normal, berbeda sedikit dari keadaan ideal. |
|||
Dalam pembahasan sehari-hari, '' |
Dalam pembahasan sehari-hari, ''laju bunyi'' mengacu kepada kelajuan gelombang bunyi pada [[atmosfer bumi|udara]]. Namun, besar laju bunyi berbeda menurut zat yang dirambati: paling lambat dalam [[gas]]; lebih cepat dalam [[cairan]]; lebih cepat lagi dalam benda padat. Misalnya, di udara adalah {{nobreak|343 m/detik}}; di air {{nobreak|1.484 m/detik}} (4,3 kali); dan di besi {{nobreak|5.120 m/s}}. Pada beberapa benda yang sangat keras seperti berlian, bunyi merambat dengan kelajuan {{nobreak|12.000 m/detik}};<ref>[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/soundv.html Speed of Sound]</ref> yang merupakan kelajuan maksimum bunyi pada kondisi normal. |
||
Gelombang |
Gelombang bunyi dalam benda padat terdiri dari gelombang-gelombang kompresi, dan sebuah tipe gelombang bunyi yang disebut [[gelombang-S|gelombang geser]], yang hanya muncul pada benda padat. Gelombang geser dalam benda padat biasanya merambat pada kelajuan berbeda-beda, seperti ditunjukkan dalam [[seismologi]]. Kelajuan gelombang kompresi dalam benda padat ditentukan oleh [[kompresibilitas]], [[modulus geser]], dan densitas medium. Kelajuan gelombang geser ditentukan hanya dari modulus geser dan densitas material padat. |
||
Dalam [[dinamika fluida]], |
Dalam [[dinamika fluida]], laju bunyi pada medium cair (gas atau liquid) digunakan sebagai pengukuran relatif untuk kelajuan objek yang bergerak melalui medium tersebut. Rasio antara kelajuan objek terhadap laju bunyi dalam fluida disebut [[bilangan Mach]]. Objek yang bergerak melebihi ''{{gaps|Mach|1}}'' disebut bergerak dengan kelajuan [[supersonik]]. |
||
== Persamaan == |
== Persamaan == |
||
Laju bunyi dalam notasi matematika dilambangkan dengan ''c'', dari bahasa Latin ''celeritas'' yang berarti "kelajuan". |
|||
Secara umum, |
Secara umum, laju bunyi ''c'' dinyatakan dengan persamaan Newton–Laplace: |
||
: <math>c = \sqrt{\frac{K_s}{\rho}},</math> |
: <math>c = \sqrt{\frac{K_s}{\rho}},</math> |
||
dengan |
dengan |
||
Baris 18: | Baris 18: | ||
* ''ρ'' adalah [[massa jenis]]. |
* ''ρ'' adalah [[massa jenis]]. |
||
Maka |
Maka laju bunyi meningkat berbanding lurus dengan kekerasan material (resistansi benda elastis terhadap deformasi akibat gaya yang bekerja pada benda tersebut) dan berbanding terbalik dengan meningkatnya massa jenis. Untuk gas ideal, modulus bulk ''K'' sederhananya adalah tekanan gas dikali [[indeks adiabatik]], yang nilainya 1,4 untuk udara dibawah kondisi tekanan dan temperatur normal. |
||
Untuk [[persamaan keadaan]] umum, jika digunakan [[mekanika klasik]], |
Untuk [[persamaan keadaan]] umum, jika digunakan [[mekanika klasik]], laju bunyi ''c'' dinyatakan dengan |
||
: <math>c = \sqrt{\left(\frac{\partial p}{\partial\rho}\right)_s},</math> |
: <math>c = \sqrt{\left(\frac{\partial p}{\partial\rho}\right)_s},</math> |
||
dengan |
dengan |
||
Baris 26: | Baris 26: | ||
* ''ρ'' adalah massa jenis dan [[turunan]] diambil secara isentropis, maka pada [[entropi]] konstan ''s''. |
* ''ρ'' adalah massa jenis dan [[turunan]] diambil secara isentropis, maka pada [[entropi]] konstan ''s''. |
||
Jika [[relativitas khusus|efek relativistik]] menjadi penting, maka |
Jika [[relativitas khusus|efek relativistik]] menjadi penting, maka laju bunyi dihitung dari [[persamaan Euler relativistik]]. |
||
Dalam [[Dispersi akustik|medium non-dispersif]], |
Dalam [[Dispersi akustik|medium non-dispersif]], laju bunyi tidak tergantung [[frekuensi bunyi]], maka kelajuan transportasi energi dan perambatan bunyi sama untuk semua frekuensi. Udara, campuran oksigen dan nitrogen, membentuk medium non non-dispersif. Namun, udara juga mengandung sebagian kecil CO<sub>2</sub>, yang merupakan medium dispersif, dan menyebabkan dispersi ke udara pada frekuensi [[ultrabunyi|ultrasonik]] ({{nobreak|> 28 [[kHz]]}}).<ref>Dean, E. A. (August 1979). [http://handle.dtic.mil/100.2/ADA076060 Atmospheric Effects on the Speed of Sound]{{Pranala mati|date=Februari 2022 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}, Technical report of Defense Technical Information Center</ref> |
||
Dalam [[Dispersi akustik|medium dispersif]], |
Dalam [[Dispersi akustik|medium dispersif]], laju bunyi merupakan fungsi frekuensi bunyi, melalui [[hubungan dispersi]]. Tiap komponen frekuensi merambat pada kelajuannya masing-masing, disebut [[kelajuan fasa]], sedangkan energi disturbansi merambat pada [[kelajuan grup]]. Fenomena yang sama muncul dengan gelombang cahaya; lihat [[Dispersi (optika)#Kelajuan grup dan fasa|dispersi optik]] untuk penjelasan. |
||
== Perumusan praktis untuk udara kering == |
== Perumusan praktis untuk udara kering == |
||
[[Berkas:Speed of sound in dry air.svg|jmpl|Perkiraaan |
[[Berkas:Speed of sound in dry air.svg|jmpl|Perkiraaan laju bunyi pada udara kering, didasarkan dari [[rasio kapasitas panas]] (warna hijau) vs. potongan [[ekspansi Taylor]] (warna merah).]] |
||
Perkiraan |
Perkiraan laju bunyi dalam keadaan udara kering (kelembaban 0%), dalam meter per sekon, suhu mendekati {{nobreak|0 °C}}, dapat dihitung dari |
||
: <math>c_{\mathrm{air}} = (331.3 + 0.606 \cdot \vartheta)~~~\mathrm{m/s},</math> |
: <math>c_{\mathrm{air}} = (331.3 + 0.606 \cdot \vartheta)~~~\mathrm{m/s},</math> |
||
dimana ''<math>\vartheta</math>'' adalah suhu dalam derajat [[Celsius]] (°C). |
dimana ''<math>\vartheta</math>'' adalah suhu dalam derajat [[Celsius]] (°C). |
||
Baris 42: | Baris 42: | ||
: <math>c_{\mathrm{air}} = 331.3~ \sqrt{1 + \frac{\vartheta}{273.15}}~~~~\mathrm{m/s}.</math> |
: <math>c_{\mathrm{air}} = 331.3~ \sqrt{1 + \frac{\vartheta}{273.15}}~~~~\mathrm{m/s}.</math> |
||
Nilai {{nobreak|331.3 m/s}}, yang menghasilkan |
Nilai {{nobreak|331.3 m/s}}, yang menghasilkan kelajuan pada {{nobreak|0 °C}} (atau {{nobreak|273.15 K}}), didasarkan pada nilai teoretis [[rasio kapasitas panas]], ''γ'', juga fakta bahwa pada tekanan udara 1 [[Atmosfer (satuan)|atm]] sangat bisa dijelaskan oleh perkiraan gas ideal. Beberapa nilai laju bunyi pada {{nobreak|0 °C}} dapat bervariasi mulai 331.2 sampai 331.6 karena asumsia-asumsi ketika penghitungan. Jika gas ideal ''γ'' diasumsikan tepat {{nobreak|1=7/5 = 1.4}}, maka laju bunyi pada {{nobreak|0 °C}} akan menghasilkan angka {{nobreak|331.3 m/s}}. |
||
Persamaan ini dapat digunakan untuk rentang temperatur yang lebar, tetapi tetap bergantung pada perkiraan rasio kapasitas panas, dan untuk alasan ini tidak dapat digunakan pada suhu yang sangat tinggi. Rumus ini akan menghasilkan prediksi yang baik pada kondisi relatif kering, dingin, tekanan rendah, seperti [[stratofer]] bumi. Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk tekanan sangat rendah dan panjang gelombang pendek, karena ketergantungan pada asumsi bahwa panjang gelombang |
Persamaan ini dapat digunakan untuk rentang temperatur yang lebar, tetapi tetap bergantung pada perkiraan rasio kapasitas panas, dan untuk alasan ini tidak dapat digunakan pada suhu yang sangat tinggi. Rumus ini akan menghasilkan prediksi yang baik pada kondisi relatif kering, dingin, tekanan rendah, seperti [[stratofer]] bumi. Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk tekanan sangat rendah dan panjang gelombang pendek, karena ketergantungan pada asumsi bahwa panjang gelombang bunyi dalam gas jauh lebih panjang daripada [[jarak bebas rata-rata]] antara tumbukan molekul gas. |
||
== Referensi == |
== Referensi == |
||
Baris 51: | Baris 51: | ||
{{satuan kecepatan}} |
{{satuan kecepatan}} |
||
[[Kategori:Bunyi]] |
|||
{{satuan-stub}} |
|||
[[Kategori:Dinamika fluida]] |
|||
[[Kategori: |
[[Kategori:Aerodinamika]] |
||
[[Kategori: |
[[Kategori:Akustik]] |
||
[[Kategori:Besaran fisika]] |
|||
[[Kategori:Sifat kimia]] |
|||
[[Kategori:Kecepatan]] |
Revisi terkini sejak 23 September 2023 15.51
Laju bunyi atau kecepatan bunyi atau cepat rambat bunyi adalah istilah yang digunakan untuk menyebut kelajuan gelombang bunyi yang merambat pada medium elastisitas. Pada ketinggian air laut, dengan suhu 20 °C (68 °F) dan kondisi atmosfer normal, laju bunyi adalah 343 m/detik (1238 km/jam). Kelajuan rambatan gelombang bunyi ini dapat berbeda tergantung medium yang dilewati (misalnya bunyi lebih cepat melalui air daripada udara), sifat-sifat medium tersebut, dan suhu.
Laju bunyi pada gas ideal hanya tergantung pada suhu dan komposisinya. Laju bunyi memiliki keterikatan secara lemah terhadap frekuensi dan tekanan pada udara normal, berbeda sedikit dari keadaan ideal.
Dalam pembahasan sehari-hari, laju bunyi mengacu kepada kelajuan gelombang bunyi pada udara. Namun, besar laju bunyi berbeda menurut zat yang dirambati: paling lambat dalam gas; lebih cepat dalam cairan; lebih cepat lagi dalam benda padat. Misalnya, di udara adalah 343 m/detik; di air 1.484 m/detik (4,3 kali); dan di besi 5.120 m/s. Pada beberapa benda yang sangat keras seperti berlian, bunyi merambat dengan kelajuan 12.000 m/detik;[1] yang merupakan kelajuan maksimum bunyi pada kondisi normal.
Gelombang bunyi dalam benda padat terdiri dari gelombang-gelombang kompresi, dan sebuah tipe gelombang bunyi yang disebut gelombang geser, yang hanya muncul pada benda padat. Gelombang geser dalam benda padat biasanya merambat pada kelajuan berbeda-beda, seperti ditunjukkan dalam seismologi. Kelajuan gelombang kompresi dalam benda padat ditentukan oleh kompresibilitas, modulus geser, dan densitas medium. Kelajuan gelombang geser ditentukan hanya dari modulus geser dan densitas material padat.
Dalam dinamika fluida, laju bunyi pada medium cair (gas atau liquid) digunakan sebagai pengukuran relatif untuk kelajuan objek yang bergerak melalui medium tersebut. Rasio antara kelajuan objek terhadap laju bunyi dalam fluida disebut bilangan Mach. Objek yang bergerak melebihi Mach1 disebut bergerak dengan kelajuan supersonik.
Persamaan
[sunting | sunting sumber]Laju bunyi dalam notasi matematika dilambangkan dengan c, dari bahasa Latin celeritas yang berarti "kelajuan".
Secara umum, laju bunyi c dinyatakan dengan persamaan Newton–Laplace:
dengan
- Ks adalah koefisien kekerasan, modulus bulk isentropik (atau modulus elastisitas bulk untuk gas);
- ρ adalah massa jenis.
Maka laju bunyi meningkat berbanding lurus dengan kekerasan material (resistansi benda elastis terhadap deformasi akibat gaya yang bekerja pada benda tersebut) dan berbanding terbalik dengan meningkatnya massa jenis. Untuk gas ideal, modulus bulk K sederhananya adalah tekanan gas dikali indeks adiabatik, yang nilainya 1,4 untuk udara dibawah kondisi tekanan dan temperatur normal.
Untuk persamaan keadaan umum, jika digunakan mekanika klasik, laju bunyi c dinyatakan dengan
dengan
- p adalah tekanan;
- ρ adalah massa jenis dan turunan diambil secara isentropis, maka pada entropi konstan s.
Jika efek relativistik menjadi penting, maka laju bunyi dihitung dari persamaan Euler relativistik.
Dalam medium non-dispersif, laju bunyi tidak tergantung frekuensi bunyi, maka kelajuan transportasi energi dan perambatan bunyi sama untuk semua frekuensi. Udara, campuran oksigen dan nitrogen, membentuk medium non non-dispersif. Namun, udara juga mengandung sebagian kecil CO2, yang merupakan medium dispersif, dan menyebabkan dispersi ke udara pada frekuensi ultrasonik (> 28 kHz).[2]
Dalam medium dispersif, laju bunyi merupakan fungsi frekuensi bunyi, melalui hubungan dispersi. Tiap komponen frekuensi merambat pada kelajuannya masing-masing, disebut kelajuan fasa, sedangkan energi disturbansi merambat pada kelajuan grup. Fenomena yang sama muncul dengan gelombang cahaya; lihat dispersi optik untuk penjelasan.
Perumusan praktis untuk udara kering
[sunting | sunting sumber]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7a/Speed_of_sound_in_dry_air.svg/220px-Speed_of_sound_in_dry_air.svg.png)
Perkiraan laju bunyi dalam keadaan udara kering (kelembaban 0%), dalam meter per sekon, suhu mendekati 0 °C, dapat dihitung dari
dimana adalah suhu dalam derajat Celsius (°C).
Persamaan ini diturunkan dari 2 term pertama ekspansi Taylor dari persamaan berikut:
Nilai 331.3 m/s, yang menghasilkan kelajuan pada 0 °C (atau 273.15 K), didasarkan pada nilai teoretis rasio kapasitas panas, γ, juga fakta bahwa pada tekanan udara 1 atm sangat bisa dijelaskan oleh perkiraan gas ideal. Beberapa nilai laju bunyi pada 0 °C dapat bervariasi mulai 331.2 sampai 331.6 karena asumsia-asumsi ketika penghitungan. Jika gas ideal γ diasumsikan tepat 7/5 = 1.4, maka laju bunyi pada 0 °C akan menghasilkan angka 331.3 m/s.
Persamaan ini dapat digunakan untuk rentang temperatur yang lebar, tetapi tetap bergantung pada perkiraan rasio kapasitas panas, dan untuk alasan ini tidak dapat digunakan pada suhu yang sangat tinggi. Rumus ini akan menghasilkan prediksi yang baik pada kondisi relatif kering, dingin, tekanan rendah, seperti stratofer bumi. Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk tekanan sangat rendah dan panjang gelombang pendek, karena ketergantungan pada asumsi bahwa panjang gelombang bunyi dalam gas jauh lebih panjang daripada jarak bebas rata-rata antara tumbukan molekul gas.
Referensi
[sunting | sunting sumber]- ^ Speed of Sound
- ^ Dean, E. A. (August 1979). Atmospheric Effects on the Speed of Sound[pranala nonaktif permanen], Technical report of Defense Technical Information Center