Chuyên đề dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, cộng hưởng cơ thuộc chủ đề vật lí 12 Dao động cơ
Dao động tắt dần là gì?
Dao động tắt dần là dao động có biên độ dao động, năng lượng dao động giảm dần theo thời gian. Nguyên nhân gây ra dao dộng tắt dần là do lực ma sát.
Đồ thị vận tốc (2) và li độ (1) của dao động tắt dần
Sau mỗi chu kỳ dao động, năng lượng của vật dao động mất đi một phần, năng lượng đó chuyển hóa thành năng lượng để thắng công cản do lực ma sát của môi trường sinh ra.
Ta có E=0,5kA$^{2 }$=> năng lượng dao động giảm => biên độ dao động của vật cũng giảm theo
Khi năng lượng dao động của vật về giá trị 0 => A=0 => dao động ngừng hẳn (dao động tắt hẳn) quá trình biên độ và năng lượng giảm từ từ (giảm dần) theo thời gian nên dao động có đặc tính như trên gọi là dao động tắt dần.
Tùy vào ma sát của môi trường mà quá trình tắt dần có thể diễn ra nhanh hay chậm.
Dao động duy trì:
Dao động duy trì: là dao động tắt dần có chu kỳ được giữ không đổi bằng cách cung cấp năng lượng cho dao động đúng bằng phần năng lượng bị mất đi do lực ma sát của môi trường.
Dao động cưỡng bức, cộng hưởng cơ:
Một con lắc lò xo dao động tuần hoàn với tần số riêng là fo
Dao động của con lắc lò xo chịu thêm tác dụng của một ngoại lực có tần số dao động là f
Các đặc điểm của dao động cưỡng bức:
- Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào:
- |f – fo| với fo là tần số riêng của dao động. |f – fo| càng nhỏ thì biên độ dao động cưỡng bức càng lớn.
- Biên độ Fo của ngoại lực cưỡng bức
- Biên độ dao động cững bức không phụ thuộc vào pha ban đầu của ngoại lực cưỡng bức.
Khi tần số của ngoại lực cưỡng bức f bằng tần số riêng fo của hệ dao động khi đó sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ. Biên độ của dao động cưỡng bức đạt giá trị cực đại.
Ứng dụng của dao động tắt dần, cộng hưởng cơ
Khi đi trên những đoạn đường gồ ghề xe của bạn bị rung lắc rất mạnh, để làm tắt nhanh các dao động đó, xe của bạn được lắp thêm vào một bộ phận giảm xóc. Nguyên lý hoạt động chung của giảm xóc là một hoặc nhiều lò xo (hoặc hệ thống tương đương với lò xo) có khả năng thực hiện dao động tắt dần rất nhanh làm cho toàn bộ dao động của hệ vật mà nó gắn vào cũng tắt dao động nhanh (chuyển động rung lắc sẽ giảm rất nhanh).
giảm xóc – ứng dụng dao động tắt dần
Các loại máy đầm, máy phá hủy các công trình xây dựng bên trong chứa một lò xo (hoặc hệ tương đương với lò xo) có tần số dao động riêng là fo gắn liền với một động cơ điện có tần số dao động điều khiển bằng cường độ dòng điện chạy qua máy. Khi tần số rung của động cơ điện càng gần với tần sốdao động riêng của lò xo thì khả năng rung lắc của máy càng lớn.
máy đầm bê tông ứng dụng hiện tượng cộng hưởng cơ
Trong quá trình xây dựng các công trình trên đất (nhà cửa, sân vận động …), hoặc các công trình neo bám vào mặt đất (cầu treo, cầu vượt …) do chuyển động quay của trái đất nên các công trình xây dựng này có tần số dao động riêng là fo.
Vì một lý do nào đó (gió, bão, chuyển động của các vật khác trên công trình xây dựng …) gây ra một dao động cưỡng bức làm cho tần số dao động cưỡng bức bằng tần số riêng của hệ dao động lúc đó hiện tượng cộng hưởng xảy ra có thể gây hại cho các công trình trên. Vì vậy các kỹ sư xây dựng thường lưu ý đến vấn đề cộng hưởng cơ để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng.
Ví dụ 1: sân bóng đá khi đội nhà ghi bàn, tất cả cổ động viên đứng bật dậy, “nhảy tưng tưng” reo hò có thể tạo ra một dao động cưỡng bức lên toàn bộ khán đài, nếu xảy ra cộng hưởng cơ tại đây và công trình xây dựng không đảm bảo có thể làm khán đài đổ sập.
Ví dụ 2: khi hành quân qua cầu, quân lính được yêu cầu không bước đều vì lịch sử đã ghi nhận nhiều tay nạn sập cầu đã xảy ra khi đoàn quân bước đều (quá trình bước đều qua cầu của quân lính tạo nên hiện tượng cộng hưởng cơ làm cầu rung lắc mạnh và bị sập)