Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng SVIP

I. DAO ĐỘNG TẮT DẦN

1. Dao động tự do

Dao động tự do là dao động có biên độ và tần số riêng \(f_{0}\) không đổi, chỉ phụ thuộc vào đặc tính riêng của hệ dao động.

2. Dao động tắt dần

Thí nghiệm khảo sát dao động tắt dần của con lắc đơn

Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian do tác dụng của lực ma sát và lực cản của môi trường.

3. Ứng dụng

- Nếu sự tắt dần có hại thì ta phải chống lại sự tắt dần bằng cách cung cấp thêm năng lượng cho hệ dao động. Ví dụ: con lắc đồng hồ,...

- Nếu sự tắt dần có lợi thì ta phải tăng cường ma sát để dao động tắt dần nhanh. Ví dụ: bộ giảm xóc của ô tô, xe máy; thiết bị đóng của tự động,...

Khi xe máy, ô tô đi qua chỗ mấp mô, xe bị nảy lên và dao động. Bộ phận giảm xóc giúp tắt dao động của khung xe, không làm người trên xe khó chịu.

Bộ phận giảm xóc của xe máy

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC

1. Khái niệm dao động cưỡng bức

Dao động cưỡng bức là dao động xảy ra dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn có tần số \(f\) bất kỳ. Tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực.

2. Đặc điểm

Đặc điểm của dao động cưỡng bức khi ổn định:

- Biên độ không đổi, tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.

- Biên độ phụ thuộc vào:

• Biên độ của lực cưỡng bức
• Độ chênh lệch giữa tần số cưỡng bức và tần số riêng

\(\rarr\) Tần số cưỡng bức càng gần tần số riêng, biên độ dao động càng lớn.

III. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

1. Định nghĩa

Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số của lực cưỡng bức \(f\) tiến gần hoặc bằng tần số riêng \(f_{0}\) của hệ, khiến biên độ dao động cưỡng bức đạt giá trị cực đại.

Đồ thị cộng hưởng là đường cong. Đồ thị càng nhọn khi lực cản của môi trường càng nhỏ (điểm A).

Đồ thị cộng hưởng

Cộng hưởng xảy ra khi tần số ngoại lực bằng tần số riêng của hệ, tức \(f = f_{0}\).

2. Giải thích

Khi tần số lực cưỡng bức bằng tần số riêng, biên độ dao động của hệ tăng dần. Biên độ đạt cực đại khi năng lượng mất do ma sát đúng bằng năng lượng được cung cấp cho hệ.

3. Hiện tượng cộng hưởng trong đời sống

* Hiện tượng cộng hưởng có lợi:

Hộp đàn của ghi ta, violon,... được thiết kế như hộp cộng hưởng, giúp không khí trong hộp dao động cộng hưởng với nhiều tần số khác nhau của dây đàn.

Lò vi sóng hoạt động dựa trên hiện tượng cộng hưởng. Sóng trong lò có tần số trùng với tần số dao động riêng của các phân tử nước trong thực phẩm, làm cho các phân tử nước dao động mạnh, hấp thụ năng lượng và nóng lên.

* Hiện tượng cộng hưởng có hại:

Các hệ như tòa nhà, cầu, khung xe,... đều có tần số riêng. Khi thiết kế, cần tránh để hệ chịu lực cưỡng bức mạnh có tần số trùng với tần số riêng, nhằm ngăn dao động mạnh gây đổ vỡ hoặc hư hỏng.

Cây cầu bắc qua sông Fontanka ở Saint Petersburg (Nga) được thiết kế chịu tải cho 300 người. Tuy nhiên, năm 1960, cầu đã bị sập khi chỉ có 36 lính bộ binh đi đều bước qua, do hiện tượng cộng hưởng xảy ra với tần số dao động riêng của cầu.