Refleksi dan Transmisi Gelombang

Untuk membahas refleksi dan transmisi gelombang serta peranan batas medium gelombang, kita akan membicarakan tentang gelombang transversal pada dawai yang diregangkan. Apa yang terjadi jika pulsa gelombang atau gelombang sinusoidal sampai di ujung dawai?

Jika ujung dawai itu diikatkan erat pada penopang, maka ujung itu merupakan ujung tetap yang tidak dapat bergerak. Bila pulsa gelombang sampai di ujung tetap, maka pulsa gelombang memberikan gaya pada penopang itu. Akan tetapi, penopang tidak dapat bergerak. Menurut Hukum III Newton, penopang memberikan gaya yang sama besarnya berlawanan arah pada dawai. Gaya reaksi ini menghasilkan pulsa gelombang yang merambat sepanjang dawai dalam arah yang berlawanan dengan arah pulsa gelombang yang menuju penopang. Jadi, pulsa gelombang yang menuju penopang telah direfleksikan di titik ujung tetap dawai. Gambar 1, menunjukkan rangkaian peristiwa  refleksi gelombang pada ujung tetap. 

Gambar 1: (a) Refleksi gelombang pada ujung tetap dan (b) refleksi gelombang pada ujung bebas.

Jika suatu gelombang menuju titik ujung tetap, maka suatu gelombang lain akan dihasilkan di titik ini dengan cara yang sama. Pergeseran setiap titik pada dawai merupakan jumlah pergeseran-pergeseran yang disebabkan oleh gelombang yang menuju titik tetap dan gelombang yang direfleksikan. Karena ujung tetap, kedua gelombang itu harus selalu berinterferensi secara destruktif sehingga memberikan pergeseran nol di ujung tetap tersebut. Dengan demikian, gelombang yang direfleksikan selalu berbeda fase sebesar 180⁰. dengan gelombang yang menuju ujung tetap. Dengan kata lain, ketika terjadi refleksi di ujung tetap gelombang mengalami perubahan fase sebesar 180⁰.

Sekarang kita akan membahas refleksi pulsa gelombang di ujung bebas dari sebuah dawai yang diregangkan, yaitu ujung yang dapat bergerak bebas dalam arah tegak lurus terhadap panjang dawai. Hal ini dapat diperoleh dengan cara mengikatkan ujung dawai itu pada sebuah cincin yang sangat ringan sehingga dapat meluncur tanpa gesekan pada penopang, seperti ditunjukkan pada Gambar 1(b). Ketika pulsa gelombang sampai di ujung bebas, cincin akan bergerak sepanjang penopang. Ketika cincin mencapai pergeseran maksimum, cincin diam sesaat. Akan tetapi, dawai menjadi teregang sehingga ujung bebas dawai ditarik kembali ke bawah dan diperoleh pulsa gelombang yang direfleksikan. Seperti pada peristiwa refleksi gelombang pada ujung tetap, pulsa yang direfleksikan ini bergerak berlawanan arah dengan pulsa mula-mula. Akan tetapi, pada ujung bebas arah pergeserannya sama seperti arah pergeseran pulsa mula-mula. Berbeda dengan refleksi pada ujung tetap, gelombang yang menuju titik ujung bebas dan gelombang yang direfleksikan harus berinterferensi konstruktif di titik itu. Jadi, gelombang yang direfleksikan harus selalu sefasa dengan gelombang datang. Dengan kata lain, pada ujung bebas gelombang yang direfleksikan tanpa mengalami perubahan fase.
Jika dawai kedua mempunyai massa per satuan panjang yang lebih besar daripada dawai pertama, seperti Gambar 2, maka gelombang yang direfleksikan kembali ke dawai pertama masih akan mengalami pergeseran fase sebesar 180⁰. Ketika pulsa gelombang ini mencapai sambungan dawai, ada bagian pulsa gelombang yang direfleksikan dan simpangannya terbalik serta ada bagian pulsa gelombang yang ditransmisikan ke dawai kedua. Pulsa gelombang yang direfleksikan memiliki amplitudo yang lebih kecil daripada pulsa gelombang datang, karena gelombang yang ditransmisikan akan terus berjalan sepanjang dawai kedua yang membawa sebagian energi yang datang. Simpangan pulsa gelombang refleksi yang terbalik ini sama seperti perilaku pulsa gelombang ketika sampai di ujung tetap.

Gambar 2: (a) Sebuah pulsa gelombang merambat ke kanan dari dawai yang massa per satuan panjangnya kecil ke dawai yang massa per satuan panjangnya lebih besar. (b) Sebagian pulsa gelombang ini direfleksikan dengan simpangan terbalik, dan sebagian lagi ditransmisikan ke dawai yang kedua.

Jika dawai kedua mempunyai massa per satuan panjang yang lebih kecil daripada dawai pertama, maka ada bagian pulsa gelombang yang direfleksikan dan ada pula bagian pulsa gelombang yang ditransmisikan. Akan tetapi, pulsa gelombang yang direfleksikan ini terjadi tanpa perubahan fase. Dalam kasus ini, pulsa gelombang yang direfleksikan tidak mengalami perubahan arah simpangan, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3: (a) Sebuah pulsa gelombang merambat ke kanan dari dawai yang massa per satuan panjangnya besar ke dawai yang massa per satuan panjangnya lebih kecil. (b) Sebagian pulsa gelombang ini direfleksikan dengan simpangan searah dengan pulsa gelombang datang, dan sebagian lagi ditransmisikan ke dawai yang kedua.

Seperti telah diuraikan dalam sebelumnya, laju gelombang transversal pada dawai bergantung pada massa per satuan panjang dan tegangan dawai. Untuk sambungan dua dawai, tegangan kedua dawai sama besar tetapi massa per satuan panjang µ tidak sama. Oleh karena itu, gelombang akan merambat lebih lambat pada dawai yang massa per satuan panjangnya besar. Seperti diketahui, frekuensi gelombang tidak berubah. Artinya, gelombang datang, gelombang refleksi, dan gelombang transmisi memiliki frekuensi yang sama. Dengan demikian, gelombang-gelombang yang mempunyai frekuensi sama tetapi merambat dengan laju berbeda akan memiliki panjang gelombang yang berbeda. Dengan mengingat rumus umum gelombang, λ = v/f, dapat disimpulkan bahwa pada dawai yang massa per satuan panjangnya besar, artinya laju gelombangnya kecil, panjang gelombangnya lebih pendek. Fenomena perubahan panjang gelombang ketika gelombang itu merambat dalam medium yang berbeda ini dijumpai pada gelombang cahaya.

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa ketika pulsa gelombang merambat dari medium A  ke medium Bdan v_A> v_B  (artinya, µ_B > µ_A) maka pulsa gelombang yang direfleksikan akan terbalik. Ketika pulsa gelombang merambat dari medium Ake medium B dan v_A < v_B (artinya, µ_B < µ_A)  maka pulsa gelombang yang direfleksikan tidak terbalik.