Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng SVIP

I. DAO ĐỘNG TẮT DẦN

➤ Quan sát hiện tượng dao động tắt dần

Trong thực tế, sau khi ngừng tác dụng lực để kích thích cho vật dao động, biên độ dao động của vật giảm dần và vật sẽ dừng lại sau một khoảng thời gian nhất định.

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

➤ Giải thích hiện tượng dao động tắt dần

Lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn ngược chiều chuyển động của vật. Do đó, công của lực cản tác dụng lên vật luôn âm làm cho cơ năng giảm. Từ đó biên độ dao động của vật giảm dần theo thời gian.

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

➤ Dao động cưỡng bức

Thông thường, có hai cách bổ sung năng lượng cho vật dao động:

• Truyền năng lượng bổ sung đúng bằng phần năng lượng tiêu hao ở cuối mỗi chu kì dao động của hệ bằng một lực cùng chiều với chuyển động.

• ​Sử dụng một ngoại lực biến thiên điều hòa (ngoại lực điều hòa) theo thời gian:

\(F=F_0cos\left(\Omega t+\varphi_0\right)\)

Trong đó, $F_0$ và \(\Omega\) lần lượt là biên độ và tần số góc của ngoại lực.

Khái niệm: Dao động của vật dưới tác dụng của ngoại lực điều hòa trong giai đoạn ổn định được gọi là dao động cưỡng bức. Ngoại lực điều hòa tác dụng vào vật khi này được gọi là lực cưỡng bức.

Tính chất của dao động cưỡng bức:

• Dao động cưỡng bức trong giai đoạn ổn định là dao động điều hòa.

• Tần số góc của dao động cưỡng bức bằng tần số góc \(\Omega\) của lực cưỡng bức.

• Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ \(F_0\), độ chênh lệch giữa tần số góc của lực cưỡng bức và tần số góc riêng của hệ, lực cản của môi trường xung quanh.

➤ Hiện tượng cộng hưởng

Định nghĩa: Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số góc của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số góc riêng của hệ dao động. Khi đó, biên độ dao động cưỡng bức của hệ đạt giá trị cực đại \(A_{max}\).

Khi độ lớn của lực cản môi trường tăng lên thì đỉnh của đường đồ thị loe ra và biên độ dao động cưỡng bức cực đại \(A_{max}\) giảm xuống.

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

➤ Lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng

a) 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.

b) 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 tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian.

2. Dao động của vật dưới tác dụng của ngoại lực điều hòa trong giai đoạn ổn định được gọi là dao động cưỡng bức. Ngoại lực điều hòa tác dụng vào vật khi này được gọi là lực cưỡng bức.

3. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số góc của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số góc riêng của hệ dao động. Khi này, biên độ dao động cưỡng bức của hệ đạt giá trị cực đại \(A_{max}\).