Contoh Soal Efek Doppler: Memahami Fenomena Melalui Ilustrasi dan Aplikasi
Efek Doppler adalah fenomena yang kita alami hampir setiap hari, meskipun kita mungkin tidak selalu menyadarinya. Ini adalah perubahan frekuensi atau panjang gelombang dari gelombang yang diamati oleh pengamat yang bergerak relatif terhadap sumber gelombang. Efek Doppler dinamai menurut fisikawan Austria, Christian Doppler, yang pertama kali mengusulkan konsep ini pada tahun 1842.
Fenomena ini dapat diamati baik dalam gelombang suara maupun gelombang cahaya. Salah satu contoh paling umum yang sering dijumpai sehari-hari adalah perubahan nada sirine ambulans atau mobil polisi saat bergerak mendekati atau menjauhi kita. Dengan memahami prinsip dasar dari efek Doppler, kita tidak hanya dapat memecahkan berbagai macam soal fisika, tetapi juga memahami aplikasi praktisnya di dunia nyata.
Prinsip Dasar Efek Doppler
Sebelum kita membahas contoh soal, penting untuk memahami prinsip dasar dari efek Doppler. Ketika sumber gelombang bergerak mendekati pengamat, gelombang akan terkompresi sehingga frekuensinya meningkat (shift ke biru). Sebaliknya, ketika sumber menjauh dari pengamat, gelombangnya akan meregang sehingga frekuensinya menurun (shift ke merah).
Persamaan dasar yang menggambarkan efek Doppler adalah:
\[ f’ = f \left( \frac{v + v_o}{v + v_s} \right) \]
Di mana:
– \( f’ \) adalah frekuensi yang diterima oleh pengamat,
– \( f \) adalah frekuensi asli dari sumber,
– \( v \) adalah kecepatan gelombang dalam medium,
– \( v_o \) adalah kecepatan pengamat relatif terhadap medium (positif jika bergerak mendekati sumber),
– \( v_s \) adalah kecepatan sumber relatif terhadap medium (positif jika menjauh dari pengamat).
Dengan memahami persamaan ini, kita bisa mengeksplorasi berbagai macam situasi menggunakan contoh soal.
Contoh Soal 1: Ambulans Mendekati Pengamat
Sebuah ambulans memancarkan suara sirine pada frekuensi 1000 Hz. Jika ambulans bergerak menuju seorang pejalan kaki dengan kecepatan 30 m/s dan kecepatan suara di udara adalah 340 m/s, berapakah frekuensi yang didengar oleh pejalan kaki tersebut?
Penyelesaian:
Dalam kasus ini, pengamat (pejalan kaki) diam dan sumber (ambulans) bergerak mendekati pengamat, sehingga kecepatan pejalan kaki \( v_o = 0 \) (karena dia diam) dan kecepatan sumber \( v_s = -30 \, \text{m/s} \) (karena bergerak mendekati).
Menggunakan persamaan efek Doppler:
\[ f’ = f \left( \frac{v + v_o}{v + v_s} \right) = 1000 \left( \frac{340 + 0}{340 – 30} \right) \]
\[ f’ = 1000 \left( \frac{340}{310} \right) \]
\[ f’ \approx 1097 \, \text{Hz} \]
Jadi, frekuensi yang didengar oleh pejalan kaki adalah sekitar 1097 Hz.
Contoh Soal 2: Pengamat Bergerak Menjauhi Sumber
Misalkan seorang pengemudi mobil sedang mendengarkan bunyi klakson mobil lain yang bergerak ke arahnya. Frekuensi klakson yang dikeluarkan adalah 500 Hz. Jika pengemudi tersebut bergerak menjauhi mobil lain dengan kecepatan 20 m/s dan mobil tersebut bergerak menuju pengemudi dengan kecepatan 15 m/s, hitunglah frekuensi yang didengar oleh pengemudi. Kecepatan suara di udara adalah 340 m/s.
Penyelesaian:
Dalam persamaan ini, pengamat bergerak menjauhi sumber, sehingga \( v_o = -20 \, \text{m/s} \) dan sumber bergerak menuju pengamat, sehingga \( v_s = -15 \, \text{m/s} \).
\[ f’ = f \left( \frac{v + v_o}{v + v_s} \right) = 500 \left( \frac{340 – 20}{340 – 15} \right) \]
\[ f’ = 500 \left( \frac{320}{325} \right) \]
\[ f’ \approx 492.31 \, \text{Hz} \]
Frekuensi yang didengar oleh pengemudi adalah sekitar 492.31 Hz.
Aplikasi Efek Doppler
Efek Doppler tidak hanya berlaku pada gelombang suara tetapi juga pada cahaya, yang memiliki aplikasi penting dalam bidang astronomi. Misalnya, ilmuwan dapat menentukan apakah sebuah bintang atau galaksi bergerak menjauhi atau mendekati bumi dengan mengamati pergeseran merah (redshift) atau pergeseran biru (blueshift) dalam spektrum cahayanya.
Selain itu, efek Doppler juga digunakan dalam radar kecepatan yang digunakan oleh polisi untuk menangkap pelanggar kecepatan di jalan raya. Perangkat ini memancarkan gelombang radio ke kendaraan yang bergerak, dan kemudian menangkap gelombang yang dipantulkan untuk menghitung perubahan frekuensi dan menentukan kecepatan kendaraan.
Dalam bidang medis, efek Doppler diterapkan dalam teknologi ultrasonografi Doppler, yang digunakan untuk mengukur aliran darah di pembuluh darah. Dengan mengukur pergeseran frekuensi gelombang ultrasonik yang disebabkan oleh aliran darah, dokter dapat menilai kesehatan pembuluh darah dan jantung pasien.
Kesimpulan
Efek Doppler adalah konsep fisika yang memberikan wawasan penting tentang bagaimana gerakan relatif antara sumber dan pengamat mempengaruhi gelombang yang diterima. Memahami prinsip-prinsip dasar efek ini tidak hanya membantu kita memecahkan soal-soal fisika, tetapi juga membuka mata kita terhadap banyak aplikasi praktis di berbagai bidang, mulai dari astronomi hingga medis. Dalam kehidupan sehari-hari, efek Doppler memungkinkan kita untuk lebih menghargai dan memahami fenomena yang tampaknya sederhana, namun memiliki implikasi yang mendalam dalam ilmu pengetahuan dan teknologi.