Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

Câu hỏi 2: Nêu một số ví dụ thực tế khác về hiện tượng dao động tắt dần.

Hướng dẫn trả lời:

Một số ví dụ khác vẽ dao động tắt dần trong thực tế:
- Dao động của người chơi sau khi nhảy bungee.
- Dao động của dây đàn guitar, vì cẩm sau khi nhạc công ngừng gãy dàn.
- Dao động của vòng hay nổi sau khi ngừng tác dụng lực.
- Dao động của màng nhĩ sau khi sóng âm ngừng truyền đến tại
- Dao động của lò xo trong bộ phận giảm xóc của xe máy, ô tô.

Luyện tập: Bố trí sơ đồ thí nghiệm như Hình 4.4. Kéo vật nặng của con lắc lò xo khỏi vị trí cân bằng theo phương thẳng đứng một đoạn xác định và thả nhẹ để vật dao động không vận tốc ban đầu. Dự đoán và thực hiện thí nghiệm kiểm chứng (nếu có điều kiện) về dao động của con lắc trong các trường hợp vật nặng thực hiện dao động trong: a) không khí; b) chất lỏng (nước/dầu); c) chất lỏng (nước/dầu) khi có gắn thêm vật cản.

Hướng dẫn trả lời:

Vật dao động trong chất lỏng khi có gắn thêm vật cản (trường hợp c) ngừng chuyển động sớm nhất. Trong trường hợp b, vật cũng dao động tắt dần nhưng thời gian vật dao động sẽ dài hơn so với trường hợp c vì lực cản nhỏ hơn. Đối với trường hợp a, lực cản của không khí tác dụng lên vật có tồn tại nhưng có độ lớn nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp b và c, do đó vật dao động tắt dần với thời gian dài hơn hai trường hợp còn lại

Vận dụng: Đưa ra một số ví dụ về tác hại và lợi ích của dao động tắt dần. Từ đó tìm hiểu và sưu tầm hình ảnh về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong cuộc sống.

Hướng dẫn trả lời:

Một số lợi ích của dao động tắt dần hệ thống đóng/mở cửa tự động; bộ phận giảm xóc của ô tô/xe máy; ứng dụng trong thiết kế nền móng nhà ở Nhật Bản, giảm thiểu sự dao động của các toà nhà trong các trận động đất,...
Một số tác hại của dao động tắt dần: đồng hồ quả lắc sau một thời gian hoạt động sẽ xảy ra hiện tượng sai lệch thời gian, đưa võng sau một khoảng thời gian thì dao động sẽ tắt dần.

2. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

Câu hỏi 3: Trên thực tế, sau khi được kích thích để dao động, xích đu (Hình 4.2a) hoặc võng sẽ dao động tắt dần. Làm cách nào để chúng có thể dao động với biên độ không đổi?

Hướng dẫn trả lời:

Có hai phương án để giữ cho dao động của xích du hoặc võng được duy trì với biên độ không đổi:
– Tác dụng lực vào mỗi nửa chu kì dao động của vật.
– Tác dụng lực tuần hoàn vào vật như cơ chế của các xích đu hoặc võng máy tự động sử dụng điện 

Luyện tập 1: Nêu một số ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế.

Hướng dẫn trả lời:

Dao động của võng máy tự động sử dụng điện, dao động của mặt cầu khi có các phương tiện giao thông hoặc người di bộ dạng đi qua, dao động của các công trình xây dựng khi có động đất xảy ra, dao động diện từ trong mạch điện xoay chiều,...

Luyện tập 2: Bố trí thí nghiệm hệ con lắc Barton như Hình 4.10. Mô hình gồm nhiều con lắc đơn có chiều dài dây treo khác nhau được gắn trên cùng một dây treo đàn hồi. Khi con lắc số 1 được kích thích để dao động, những con lắc còn lại (từ số 2 đến 7) sẽ bắt đầu dao động. Giải thích vì sao chúng dao động và dự đoán về biên độ dao động của chúng. Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng.

Hướng dẫn trả lời:

Khi con lắc 1 dao động, các con lắc còn lại (2 đến 7) bắt đầu dao động vì chúng chịu tác dụng của lực cưỡng bức do dao động của con lắc 1 gây ra. Với bố trí thí nghiệm như Hình 4.10 SGK, con lắc 4 sẽ dao động với biên độ lớn nhất. Vì chiều dài dây của con lắc 4 xấp xỉ bằng chiều dài dây của con lắc 1, do đó tần số dao động riêng của con lắc 4 xấp xỉ bằng tần số dao động của con lắc 1 (đóng vai trò là tần số của lực cưỡng bức tuần hoàn). Từ đó, hiện tượng cộng hưởng xảy ra đối với con lắc 4 và làm cho biên độ dao động của nó lớn nhất so với các con lắc còn lại.

Câu hỏi 4: Trình bày một số lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng trong thực tế mà em biết.

Hướng dẫn trả lời:

Tác dụng hiện tượng cộng hưởng trong việc ứng dụng làm hộp đàn ghita, violon,...
Tác hại của hiện tượng cộng hưởng: Nếu tần số ngoại lực bằng với tần số dao động riêng của hệ làm cho hệ dao động với biên độ rất lớn, gây ra hiện tượng hư hỏng, đổ gãy.
Vậy nên khi thiết kế cây cầu, bệ máy, khung xe,... cần phải lưu ý để cho tần số dao động riêng của chúng phải khác nhiều so với tần số của các lực cưỡng bức thường xuyên tác dụng lên.

Luyện tập 3: Tìm hiểu và trình bày hoạt động của bộ giảm chấn khối lượng, là một con lắc được treo trên toà nhà Taipei 101 tại thành phố Đài Bắc, Đài Loan (Hình 4.1).

Hướng dẫn trả lời:

Bộ giảm chấn khối lượng được thiết kế là một con lắc thép nặng 660 tấn (728 tấn Mỹ) đóng vai trò làm một thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh, có chi phí là 132 triệu Đài tệ (4 triệu USD).Được treo lơ lửng từ tầng 92 xuống tầng 87, con lắc đu đưa để bù chuyển động trong tòa nhà do các cơn gió mạnh gây ra. Khối cầu của thiết bị này là khối cầu giảm chấn lớn nhất trên thế giới, gồm có 41 tấm thép tròn có đường kính khác nhau, mỗi tấm dày 125 mm (4,92 in), được hàn vào nhau để hình thành một khối cầu có đường kính 5,5 m (18 ft). Hai thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh khác, mỗi cái nặng 6 tấn (7 tấn Mỹ), được đặt tại đỉnh của chóp để giúp tránh tổn thất cho cấu trúc do gió mạnh. Ngày 8 tháng 8 năm 2015, gió mạnh từ Bão Soudelor làm đu đưa thiết bị giảm chấn chính 100 xentimét (39 in) – chuyển động lớn nhất từng ghi nhận được.

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày ngắn gọn phương án kĩ thuật để hạn chế thiệt hại cho các toà nhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng, tại những nơi thường xảy ra động đất như Nhật Bản.

Hướng dẫn trả lời:

• Công nghệ “Con lắc thép khổng lồ” cho công trình Shinjuku Mitsui

Nhật Bản có rất nhiều công nghệ chống động đất, trong đó công nghệ lắp đặt con lắc trên đỉnh tòa nhà cao tầng, hiện đang là công nghệ mới nhất hiện nay. Hệ thống chống động đất bằng cách đặt sáu con lắc thép khổng lồ, mỗi con lắc nặng 300 tấn trên nóc một tòa nhà cao 55 tầng tại Tokyo, với tổng chi phí 5 tỷ Yên Nhật tương đương khoảng (51 triệu USD). Theo thiết kế, những con lắc này không những làm giảm chấn động tới 60%, mà còn rút ngắn thời gian chịu tác động từ dư chấn của tòa nhà. Ngoài ra, công nghệ mới này còn cho phép thi công mà không hề ảnh hưởng tới cấu trúc.

• Công nghệ “Con nhún” cho công trình Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki

Toàn bộ tòa nhà chính của bệnh viện được đặt trên một hệ thống gồm 126 thiết bị chống động đất gọi là thiết bị cách ly động đất do Tập đoàn Nikkei Seikei xây dựng. Thiết bị này giống như những “con nhún” đặt dưới móng của tòa nhà.

Khi động đất xảy ra, toàn bộ tòa nhà cao 7 tầng, rộng 9.455m2 này sẽ được 126 “con nhún” đẩy đưa “nhún” lên xuống và qua lại trên nền móng vững chãi của tòa nhà.

• Công nghệ Piston cho các tòa nhà tháp

Mục đích là để hấp thụ lực tác động và giảm thiểu tối đa những chuyển động rung lắc giữa các tầng lầu. Khi có động đất cường độ mạnh, tòa nhà có thể đung đưa qua lại với biên độ lớn như một đồng hồ quả lắc và chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng những rung lắc nội tại của tòa nhà đã bị triệt tiêu. Một kỹ thuật khác rất phổ biến tại Tokyo là triệt tiêu lực tác động bằng chất lỏng -  một dạng cấu trúc công nghệ như những piston lớn được ứng dụng. Một dẫn chứng là tòa tháp Mori cao 238m với 53 tầng và 6 tầng hầm của khu phức hợp Roppongi Hills tại Tokyo đã ứng dụng công nghệ này.

• Công nghệ chống động đất khác cho các tòa nhà trên thế giới

Hàng trăm tòa nhà trên khắp thế giới đang sử dụng một hệ thống tên gọi là van điều tiết khối lượng (TMD). Một thiết bị cực nặng, gọi là quả nặng thứ hai, được gắn vào một tòa nhà để chống lại chuyển động của nó. Một trong những tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới, Taipei 101 tại Đài Loan, có một quả cầu thép nặng 730 tấn cố định bởi cáp thép.

BÀI TẬP

Bài tập 1: Cho ví dụ về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong thực tiễn.

Hướng dẫn trả lời:

Một số ứng dụng của dao động tắt dần trong thực tiễn:

- Cửa có thể đóng tự động bằng một số hệ thống bản lễ đặc biệt.

- Tích hợp lò xo trong các toà nhà cao tầng để hạn chế tác hại của động đất.

– Bộ phận giảm xóc của xe máy hoặc ô tô.

- Bộ giảm chấn khối lượng thường được sử dụng trong các toà nhà cao tầng.

Bài tập 2: Hãy chỉ ra hai trường hợp cộng hưởng có lợi và hại trường hợp cộng hưởng có hại. Trong từng trường hợp hãy chỉ rõ hệ dao động và nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng.

Hướng dẫn trả lời:

Trường hợp cộng hưởng có lợi:
Hiện tượng cộng hưởng được ứng dụng trong các buổng cộng hưởng của nhạc cụ như đàn guitar: hệ dao động là các phân tử khí, nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là dao động của dây đàn.
- Khi thiết kế các công trình lớn như nhà cao tầng hoặc cầu đường, các kĩ sư cần tính toán các thông số ngoại cảnh để có những phương án xử lí kĩ thuật nhằm tránh xảy ra cộng hưởng trên hệ thống như trường hợp của cầu Thiên niên kỉ tại London hệ dao động là mặt cầu, nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là chuyển động của khách bộ hành.
Trường hợp cộng hưởng có hại:
- Cánh của máy bay rung lắc mạnh khi máy bay di chuyển với tốc độ rất cao: hệ dao động là cánh máy bay, nguồn gây ra sự cộng hưởng là các xoáy của dòng không khí gây ra bởi những nhiều động không khí bất thường.
- Sự sụp đổ của các toà nhà trong trận động đất tại Mexico năm 1985: hệ dao động là các toả nhà, nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là dao động của mặt đất do sóng động đất truyền đến

Bài tập 3: Máy đo địa chấn được sử dụng để phát hiện và đo đạc những rung động địa chấn được tạo ra bởi sự dịch chuyển của lớp vỏ Trái Đất. Năng lượng từ các cơn địa chấn có khả năng kích thích con lắc lò xo bên trong máy đo làm đầu bút di chuyển để vẽ lên giấy (Hình 4P1).