Vì sao xích đu dừng lại nếu không được đẩy?
Một chiếc xích đu sau khi được kéo lệch rồi thả sẽ dao động với biên độ nhỏ dần vì năng lượng bị hao phí. Nếu được đẩy đều đặn và đúng nhịp, xích đu nhận thêm năng lượng; trong điều kiện phù hợp, biên độ có thể tăng rõ rệt.
Dao động tự do và dao động tắt dần
Nếu sau kích thích ban đầu, hệ dao động chỉ dưới tác dụng của các lực bên trong hệ thì đó là dao động tự do. Tần số của dao động tự do là tần số riêng, phụ thuộc đặc tính của hệ.
Trong thực tế luôn có ma sát và lực cản. Các lực này làm cơ năng của hệ chuyển dần thành nội năng, vì vậy biên độ giảm theo thời gian; dao động như thế được gọi là dao động tắt dần. Lực cản càng lớn, dao động thường tắt càng nhanh. Bộ giảm xóc của xe được thiết kế để làm dao động của khung xe tắt nhanh sau khi qua chỗ mấp mô.
Dao động cưỡng bức
Khi hệ chịu một ngoại lực tuần hoàn, hệ thực hiện dao động cưỡng bức. Sau giai đoạn chuyển tiếp, dao động cưỡng bức ổn định có tần số bằng tần số của ngoại lực, không nhất thiết bằng tần số riêng của hệ.
Biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ của ngoại lực, lực cản của môi trường và độ chênh giữa tần số ngoại lực với tần số riêng. Ngoại lực cung cấp năng lượng cho hệ; ở trạng thái ổn định, năng lượng cung cấp trong mỗi chu kì bù cho phần năng lượng bị hao phí.
Hiện tượng cộng hưởng
Khi tần số ngoại lực tiến gần tần số riêng của hệ, biên độ dao động cưỡng bức tăng và đạt giá trị lớn nhất; đó là hiện tượng cộng hưởng. Với lực cản nhỏ, đỉnh cộng hưởng cao và nằm gần tần số riêng; lực cản lớn làm biên độ cực đại nhỏ hơn và vùng cộng hưởng bớt sắc.
Cộng hưởng có ích trong hộp đàn hoặc thiết bị cần đáp ứng mạnh ở một tần số, nhưng có thể gây rung nguy hiểm cho cầu, nhà hoặc máy móc. Việc cộng hưởng có lợi hay có hại phụ thuộc mục đích sử dụng và mức độ kiểm soát dao động.
Ví dụ: nhận biết tần số gây cộng hưởng
Một hệ có tần số riêng gần 2 Hz được tác dụng ngoại lực lần lượt 1 Hz, 1,8 Hz, 2 Hz, 3 Hz với cùng biên độ. Nếu lực cản nhỏ, biên độ gần 2 Hz thường lớn nhất. Khi đã ổn định ở lực cưỡng bức 3 Hz, hệ dao động theo 3 Hz, không bắt buộc theo 2 Hz.
Áp dụng
Một hệ có tần số riêng gần $1{,}5$ Hz, chịu ngoại lực tuần hoàn tần số $2{,}0$ Hz. Khi dao động cưỡng bức đã ổn định, tần số của hệ là
Không cộng tần số riêng với tần số ngoại lực.
Đúng. Ở trạng thái ổn định, tần số dao động bằng tần số ngoại lực.
Đây là tần số riêng của hệ, không phải tần số cưỡng bức ổn định.
Không lấy hiệu hai tần số để được tần số dao động cưỡng bức.
Lời giải
Trong dao động cưỡng bức ổn định, tần số dao động bằng tần số ngoại lực tuần hoàn, tức $2{,}0$ Hz. Tần số riêng gần $1{,}5$ Hz liên quan mức đáp ứng, không thay tần số cưỡng bức. Chọn B.
Áp dụng
Bộ giảm xóc làm xe bớt rung sau khi qua ổ gà. Phần cơ năng dao động giảm đi chủ yếu chuyển thành dạng nào trong bộ giảm chấn và môi trường?
Dạng này không giải thích sự tiêu tán trong bộ giảm chấn.
Nếu giữ nguyên năng lượng đàn hồi thì không giải thích được biên độ giảm.
Đúng. Biên độ giảm nhưng năng lượng không biến mất khỏi toàn hệ.
Xe không cần lên cao để dao động tắt dần; hao phí chủ yếu do cản.
Lời giải
Ma sát và độ nhớt trong bộ giảm chấn chuyển một phần cơ năng dao động thành nội năng của thiết bị và môi trường. Tổng năng lượng xét đủ hệ vẫn bảo toàn. Chọn C.
Đọc bảng để nhận biết cộng hưởng
Một thí nghiệm minh họa giữ cùng hệ, cùng biên độ lực cưỡng bức và cùng điều kiện lực cản nhỏ. Sau khi ổn định, đo:
| Tần số lực (Hz) | Biên độ (cm) |
|---|---|
| 1,0 | 0,8 |
| 1,5 | 1,6 |
| 2,0 | 4,2 |
| 2,5 | 1,7 |
| 3,0 | 0,9 |
Trong các điểm đã đo, biên độ lớn nhất ở 2,0 Hz. Ta dự đoán tần số riêng gần 2 Hz; muốn xác định kĩ hơn cần đo thêm quanh vùng đỉnh. Bảng thưa không chứng minh tần số cực đại chính xác tuyệt đối bằng 2,000 Hz.
Nếu tăng lực cản, năng lượng mất đi mỗi chu kì tăng, biên độ cộng hưởng giảm. Trong giảm xóc ta muốn dao động tắt nhanh; trong một bộ phận cần rung mạnh ở tần số chọn trước, ta có thể tận dụng cộng hưởng. Ích hay hại phụ thuộc mục đích sử dụng, không phải cộng hưởng luôn có hại.
Những điều cần nhớ
Phân biệt tần số riêng với tần số cưỡng bức. Cộng hưởng mạnh hay yếu còn phụ thuộc lực cản.
Đang học