Dao Động Tắt Dần – Cưỡng Bức – Cộng Hưởng
Dao động tự do, tắt dần, cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng và các ứng dụng
▸ Dao động tự do
Khi bỏ qua ma sát và lực cản, con lắc dao động với biên độ không đổi và tần số riêng ($f_0$) của hệ. Dao động như vậy được gọi là dao động tự do.
Đặc điểm:
- Biên độ không đổi theo thời gian.
- Tần số dao động bằng tần số riêng $f_0$ của hệ.
- Cơ năng được bảo toàn.
- Điều kiện: bỏ qua ma sát và lực cản.
▸ Dao động tắt dần
▸ Nguyên nhân gây ra dao động tắt dần
Trong thực tế, con lắc luôn chịu tác dụng của:
- Lực ma sát (ở chỗ treo với con lắc đơn, trong lò xo với con lắc lò xo).
- Lực cản của môi trường (không khí, nước…).
Hai lực này tiêu hao cơ năng của con lắc, chuyển hoá cơ năng thành nhiệt năng. Vì thế, biên độ dao động giảm dần và cuối cùng con lắc dừng lại.
▸ Đặc điểm của dao động tắt dần
| Đặc điểm | Mô tả |
|---|---|
| Biên độ | Giảm dần theo thời gian. |
| Cơ năng | Giảm dần (chuyển hoá thành nhiệt năng). |
| Tần số | Vẫn xấp xỉ tần số riêng $f_0$ (trong giai đoạn đầu). |
| Tốc độ tắt | Lực cản càng lớn → dao động tắt càng nhanh. |
Trong nhiều trường hợp, dao động tắt dần là có lợi và được ứng dụng rộng rãi.
▸ Bộ phận giảm xóc của xe máy, ô tô
Khi xe đi qua chỗ mấp mô, khung xe bị nảy lên và dao động. Nếu dao động kéo dài, người ngồi trên xe sẽ rất khó chịu. Vì vậy, người ta lắp thêm bộ phận giảm xóc để làm tắt nhanh dao động của khung xe.
Nguyên lý: Bộ giảm xóc tạo ra lực cản lớn → dao động tắt nhanh hơn → mang lại sự êm ái cho người sử dụng.
▸ Một số ví dụ khác
| Ví dụ | Đánh giá |
|---|---|
| Bộ giảm xóc xe | Có lợi – giúp xe êm ái. |
| Cửa tự đóng từ từ (có giảm chấn) | Có lợi – cửa không đập mạnh. |
| Mặt trống sau khi gõ | Tự nhiên – âm thanh tắt dần. |
| Xích đu dừng lại khi không đẩy | Tự nhiên. |
▸ Khái niệm
Để xích đu tiếp tục dao động, người mẹ phải thỉnh thoảng đẩy nhẹ vào ghế. Lực đẩy của người mẹ là một ngoại lực tuần hoàn tác dụng lên xích đu.
Ví dụ: Khi xe buýt đến bến, xe chỉ tạm dừng nên không tắt máy. Thân xe vẫn dao động do pit-tông trong xi lanh chuyển động tuần hoàn tạo ra lực cưỡng bức.
▸ Đặc điểm của dao động cưỡng bức (khi đã ổn định)
| Yếu tố | Đặc điểm |
|---|---|
| Biên độ | Không đổi theo thời gian. |
| Tần số | Bằng tần số $f$ của lực cưỡng bức (không phải $f_0$). |
| Năng lượng | Được cung cấp liên tục từ ngoại lực. |
▸ Biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào:
| Yếu tố | Ảnh hưởng |
|---|---|
| Biên độ ngoại lực $F_0$ | $F_0$ càng lớn → biên độ càng lớn. |
| Lực cản môi trường | Lực cản càng lớn → biên độ càng nhỏ. |
| Độ chênh lệch $|f - f_0|$ | $|f-f_0|$ càng nhỏ → biên độ càng lớn. |
▸ So sánh dao động tắt dần và dao động cưỡng bức
| Đặc điểm | Tắt dần | Cưỡng bức |
|---|---|---|
| Ngoại lực | Không có | Có (tuần hoàn) |
| Biên độ | Giảm dần | Không đổi |
| Tần số | $f_0$ (riêng) | $f$ (ngoại lực) |
| Kết quả | Dừng lại | Dao động mãi |
Từ thí nghiệm với các con lắc treo trên thanh ngang, ta thấy con lắc có chiều dài giống con lắc kích thích sẽ dao động mạnh nhất. Đây là hiện tượng cộng hưởng.
▸ Đồ thị cộng hưởng
Nhận xét:
- Biên độ đạt cực đại tại $f = f_0$ (đỉnh đồ thị).
- Lực cản càng nhỏ → đỉnh đồ thị càng cao và nhọn.
- Lực cản càng lớn → đỉnh đồ thị càng thấp và tù.
▸ Giải thích hiện tượng cộng hưởng
Khi tần số ngoại lực bằng tần số riêng, hệ được cung cấp năng lượng nhịp nhàng, đúng lúc → biên độ tăng dần. Biên độ đạt cực đại khi tốc độ tiêu hao năng lượng (do ma sát) bằng tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ.
Cộng hưởng là hiện tượng vật lí quan trọng, có thể có lợi hoặc có hại tuỳ trường hợp.
✅ Cộng hưởng có lợi
| Ứng dụng | Giải thích |
|---|---|
| Hộp đàn guitar, violin | Hộp cộng hưởng được thiết kế để không khí trong hộp cộng hưởng với nhiều tần số của dây đàn → khuếch đại âm thanh. |
| Lò vi sóng | Vi sóng có tần số phù hợp với tần số riêng của các phân tử nước trong thức ăn → các phân tử nước cộng hưởng, hấp thụ năng lượng và nóng lên. |
❌ Cộng hưởng có hại
Nhiều hệ như toà nhà, cầu, bệ máy, khung xe… đều có một hoặc nhiều tần số riêng. Khi thiết kế phải tránh để hệ chịu lực cưỡng bức có tần số bằng các tần số riêng đó. Nếu không, hệ sẽ dao động mạnh dần đến mức đổ hoặc gãy.
• Cầu Ta-cô-ma (Mỹ) — chịu được nhiều ô tô tải nhưng sập dưới tác dụng của gió (1940).
▸ Bài toán cộng hưởng tàu xe (rất hay gặp)
Khi tàu chạy với tốc độ $v$, qua các mối nối thanh ray cách đều nhau khoảng $L$:
Điều kiện cộng hưởng: $v = L \cdot f_0$
Trong đó $f_0 = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{g}{l}}$ là tần số riêng của con lắc đơn treo trên tàu.
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm các công thức mở rộng, đồ thị chi tiết, bảng so sánh tổng hợp và các dạng bài tập tính toán nâng cao, hãy đọc bài viết bên dưới:
Toàn bộ công thức, các dạng bài tập tính toán, sơ đồ tư duy, phương pháp giải và lỗi sai thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát chương trình SGK Kết Nối Tri Thức!
Cùng luyện Bài 6 – Dao động!
25 câu: 18 trắc nghiệm · 3 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn