Bài 6. Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng

I. Dao động tắt dần

1. Dao động tắt dần

Hình 1. Thí nghiệm khảo sát dao động tắt dần của con lắc đơn

Trong thực tế, khi kéo con lắc ra khỏi vị trí dao động rồi thả cho nó dao động thì biên độ của nó giảm dần, và cuối cùng con lắc dừng lại. Dao động như vậy gọi là dao động tắt dần.

Nguyên nhân làm dao động của vật tắt dần là do lực ma sát và lực cản của môi trường.

Hình 2. Bộ phận giảm xóc của xe máy

2. Ứng dụng của dao động tắt dần

• Nếu sự tắt dần có hại thì ta phải chống lại sự tắt dần bằng cách cung cấp thêm năng lượng cho hệ dao động. Ví dụ: con lắc đồng hồ……

• Nếu sự tắt dần có lợi thì ta phải tăng cường ma sát để dao động tắt dần nhanh. Ví dụ: bộ giảm xóc của ô tô, xe máy; thiết bị đóng của tự động……

Khi xe máy, ô tô đi qua chỗ mấp mô, xe bị nảy lên và dao động. Bộ phận giảm xóc giúp tắt dao động của khung xe, không làm người trên xe khó chịu.

II. Dao động cưỡng bức

1. Khái niệm

Dao động cưỡng bức là dao động xảy ra dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn có tần số $f$ bất kì. Khi dao động ổn định tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực.

2. Đặc điểm

Dao động cưỡng bức khi ổn định có những đặc điểm sau:

• Có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.

• Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào: biên độ của lực cưỡng bức; độ chênh lệch giữa tần số của lực cưỡng bức và tần số riêng của hệ dao động. Khi tần số của lực cưỡng bức càng gần tần số riêng thì biên độ dao động của hệ càng lớn.

III. Hiện tượng cộng hưởng

1. Định nghĩa

Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số $f$ của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng $f_0$ của hệ dao động.

Hình 3. Đồ thị cộng hưởng

Đường cong trên đồ thị Hình 3 gọi là đồ thị cộng hưởng. Đồ thị càng nhọn khi lực cản của môi trường càng nhỏ (điểm A).

Điều kiện \(f=f_0\) gọi là điều kiện cộng hưởng.

2. Giải thích

Khi tần số của lực cưỡng bức bằng tần số riêng của hệ dao động thì biên độ dao động của hệ tăng dần lên. Biên độ dao động đạt tới giá trị cực đại khi tốc độ tiêu hao năng lượng do ma sát bằng tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ.

3. Hiện tượng cộng hưởng trong đời sống

* Hiện tượng cộng hưởng có lợi:

Hộp đàn của các đàn ghi ta, violon,... là những hộp cộng hưởng được cấu tạo sao cho không khí trong hộp có thể dao động cộng hưởng với nhiều tần số dao động khác nhau của dây đàn.

Nguyên tắc hoạt động của lò vi sóng dựa trên hiện tượng cộng hưởng. Ở các lò vi sóng này, sóng được sử dụng có tần số phù hợp với tần số dao động riêng của các phân tử nước trong thực phẩm. Các phân tử nước đóng vai trò là hệ cộng hưởng cũng dao động cưỡng bức, nên hấp thụ năng lượng của sóng được sử dụng và nóng lên.

* Hiện tượng cộng hưởng có hại:

Nhiều hệ dao động như tòa nhà, cầu, khung xe,... đều có một hay nhiều tần số riêng. Để tránh các hệ dao động mạnh dẫn đến đổ, gãy, khi thiết kế cần tránh không để các hệ chịu tác dụng của những lực cưỡng bức mạnh có tần số bằng tần số riêng đó.

Hình ảnh trên là của cây cầu được bắc ngang qua sông Fontanka ở Saint Petersburg, Nga được thiết kế đủ vững chắc cho 300 người đi qua. Nhưng vào năm 1960, nó đã bị sập khi một trung đội bộ binh gồm 36 người đi đều qua.

1. Dao động có biên độ giảm dần theo thời gian gọi là dao động tắt dần.

2. Nguyên nhân làm dao động tắt dần là do lực ma sát và lực cản của môi trường.

3. Dao động chịu tác dụng của một ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn gọi là dao động cưỡng bức. Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.

4. Hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số $f$ của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng $f_0$ của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng.

5. Tùy từng trường hợp mà hiện tượng cộng hưởng có thể có lợi hoặc có thể có hại.