Giải chi tiết Vật lí 11 cánh diều mới bài 4: Dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Toà nhà Đài Bắc 101 (Taipei 101) cao 509 m xác lập kỉ lục là toà nhà cao nhất thế giới vào năm 2004 và duy trì vị thế này cho đến năm 2010 khi toà nhà Buji Kalifa (Bu-zi Ca-li-fa) ở Dubai (Du-bai) được khánh thành. Để bảo vệ toà nhà khỏi rung lắc mạnh dưới tác dụng của gió, bão hay động đất, một quả cầu giảm chấn khổng lồ đường kính 5,5 m, khối lượng 662 tấn được treo lơ lửng từ tầng 92 xuống tầng 87 của toà nhà. Khối cầu này giúp giảm rung lắc của toà nhà bằng cách nào?

Hướng dẫn trả lời:

Khi có tác động ngoại lực (gió, bão, động đất…) lên toà nhà thì cả toà nhà sẽ bị dao động theo (rung lắc), nhờ có con lắc giảm chấn này mà nó sẽ triệt tiêu được đáng kể ngoại lực tác dụng. Hay cụ thể là con lắc giảm chấn có vai trò hạn chế dao động của toà nhà bằng cách làm cho dao động này tắt dần nhanh chóng.

Nguyên tắc là làm thay đổi tần số dao động của toà nhà để nó không có tần số dao động bằng tần số dao động riêng của hệ.

I. DAO DỘNG TẮT DẦN

Câu hỏi 1: Giải thích tại sao, trong môi trường có lực cản, dao động của các vật lại tắt dần.

Hướng dẫn trả lời:

Trong môi trường có lực cản, sẽ sinh ra ma sát từ đó phát sinh năng lượng hao phí dẫn đến năng lượng ban đầu của dao động chuyển hoá dần thành các dạng năng lượng khác (nhiệt,…). Từ đó biên độ dao động giảm dần và tắt hẳn dẫn đến dao động của các vật sẽ tắt dần theo thời gian.

Câu hỏi 2: Vì sao nếu chỉ đẩy một lần, xích đu sẽ dao động một vài chu kì rồi dừng lại?

Hướng dẫn trả lời: 

Nguyên nhân chính của sự dừng lại này là do sự mất dần năng lượng dao động của xích đu. Khi đẩy lên xích đu, chúng ta truyền thêm năng lượng vào hệ thống, gây ra dao động ban đầu của xích đu. Tuy nhiên, khi xích đu dao động, năng lượng của nó sẽ dần chuyển đổi thành năng lượng nhiệt do tương tác với môi trường.

Mỗi chu kỳ dao động, xích đu sẽ mất đi một lượng năng lượng nhất định do sự tương tác với môi trường, và sự mất dần năng lượng này sẽ dần làm giảm độ lớn của dao động. Điều này sẽ làm cho chu kỳ dao động của xích đu ngày càng giảm, cho đến khi cuối cùng nó dừng hoàn toàn.

Luyện tập 1: Lấy ví dụ về dao động tắt dần trong thực tế.

Hướng dẫn trả lời:

Dao động của con lắc đồng hồ. Con lắc đồng hồ có thể được xem như một bộ dao động, trong đó con lắc dao động qua lại để đo thời gian

Dao động của bộ phận giảm xóc của xe máy khi qua đoạn đường bị xóc.

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

1. Dao động cưỡng bức

Câu hỏi 3: Lấy ví dụ các hệ dao động cưỡng bức trong thực tế.

Hướng dẫn trả lời:

Kéo một con lắc lò xo rồi thả ra. Con lắc lò xo sẽ dao động tắt dần, bây giờ ta đặt một lực do tay ta tạo ra lên con lắc. Khi đó dao động này gọi là dao động cưỡng bức, do vật dao động phụ thuộc vào lực do tay ta tạo nên, tần số bằng tần số ngoại lực cưỡng bức.

2. Hiện tượng cộng hưởng

Câu hỏi 4: Tìm tần số dao động riêng của con lắc lò xo trong Hình 2.5. Tần số này phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Hướng dẫn trả lời:

Dựa vào dữ kiện ở nội dung Mục III – Bài 2 – Trang 20 ta nhận được kết quả về chu kì của con lắc đơn trong hình trên khi chịu ngoại lực tác dụng là T = 0,2 s.

Tần số dao động riêng: $f=\frac{1}{T}=\frac{1}{0,2}=5Hz$

Ta có: $T=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}\Rightarrow f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}$

Từ đó ta thấy tần số dao động riêng của con lắc lò xo phụ thuộc vào khối lượng con lắc và độ cứng của lò xo

Câu hỏi 5: Dựa vào đô thị Hình 4.4, mô tả sự thay đổi của biên độ dao động cưỡng bức theo tần số của ngoại lực tuần hoàn. Biên độ của dao động cường bức và lực cản của môi trường có mối liên hệ như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

Khi thay đổi lực cản lực cản của môi trường, biên độ của dao động cưỡng bức cũng thay đổi, lực cản của môi trường nhỏ thì biên độ dao động lớn và ngược lại.

3. Lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng

Tìm hiểu thêm: Tìm hiểu các giải pháp đã được áp dụng để hạn chế rung lắc nguy hiểm cho các công trình xây dựng trước tác dụng của con người và thiên nhiên như gió bão, động đất,...

Hướng dẫn trả lời:

Quy tắc đơn giản nhất để xây dựng các công trình có tính năng kháng chấn phù hợp với mọi quốc gia quan trọng nhất là nguyên tắc phân bố đồng đều độ cứng và khối lượng các kết cấu. Tính đồng nhất được bảo đảm bằng các yếu tố lắp ghép gia cường và các đường nứt kháng chấn, trong phạm vi các đường nứt này, các tấm tường có thể dịch chuyển mà tòa nhà không có nguy cơ bị phá vỡ.
Một số công nghệ hiện đại như:
- “móng nổi”: giữa nền và công trình có một lớp gối đệm bằng cao su chì, cho phép móng “đi” xuống dưới tòa nhà khi có chấn động mạnh xảy ra, mà không kéo theo công trình chính. Thời gian gần đây, các nhà xây dựng đã nghiên cứu bổ sung một đệm không khí có gắn các cảm ứng. Khi có những dấu hiệu đầu tiên của hoạt động địa chấn, thiết bị nén sẽ nâng cả tòa nhà lên vài cm, nhờ đó, công trình được cô lập khỏi các chấn động;
- lớp thiết bị cách chấn bằng hợp kim có hiệu ứng nhớ, có thể thay đổi hình dáng khi rung lắc, và sau đó trở về trạng thái ban đầu. Do chấn động lan truyền trong đất nền nên biện pháp hữu hiệu nhất để hạn chế tác động từ sóng ngầm là tách rời hoàn toàn công trình khỏi đất nền. Tuy nhiên, điều này là không thể, các kỹ sư chỉ có thể đưa vào một lớp thiết bị đặc biệt “đệm” giữa công trình và đất nền, gọi là thiết bị cách chấn. Thiết bị bằng hợp kim có độ cứng thấp nên khi nền đất rung chuyển, thiết bị có biến dạng lớn, kết cấu phía trên nhờ có quán tính lớn nên chỉ chịu một dao động nhỏ. Hư hại về kết cấu và thiết bị bên trong công trình nhờ đó được giảm thiểu;
- bộ giảm xóc dưới dạng con lắc ở trên đỉnh tòa nhà (hay còn gọi là van điều tiết khối lượng –TMD) có thể giữ tòa nhà, buộc nó phải chuyển động theo hướng ngược lại. Dựa theo nguyên tắc này, Đài Loan đã xây dựng thành công tòa tháp chọc trời “Taipei 101”. Quả cầu thép nặng 730 tấn cố định bởi các cáp thép gắn trên cao, phản ứng với chuyển động bằng cách dịch chuyển theo hướng ngược lại. Do đó, khi có động đất hay gió mạnh khiến tòa nhà xoay sang phải, hệ thống TMD sẽ phản ứng lại bằng cách xoay sang trái – giảm thiểu tối đa sự dịch chuyển. Tuy nhiên, chi phí cho công nghệ này cực kỳ lớn.

Vận dụng: Tìm ví dụ về hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong cuộc sống.

Đánh giá sự có lợi hay có hại của hiện tượng cộng hưởng trong trường hợp đó.

Hướng dẫn trả lời: