Bài 6. Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Dao động tắt dần

a) Khái niệm

Trong thực tế, khi kéo một con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng rồi thả nhẹ, biên độ dao động của con lắc giảm dần và cuối cùng con lắc dừng lại.

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

Đồ thị li độ – thời gian của dao động tắt dần có dạng đường dao động nằm giữa hai đường bao tiến dần về vị trí cân bằng.

b) Nguyên nhân

Trong quá trình dao động, vật chịu tác dụng của:

Các lực này cản trở chuyển động và làm tiêu hao cơ năng của hệ. Một phần cơ năng chuyển hóa thành nhiệt năng và các dạng năng lượng khác.

Vì vậy: Cơ năng giảm $⟹$ Biên độ giảm dần theo thời gian

Nguyên nhân làm dao động tắt dần là lực ma sát và lực cản của môi trường.

c) Mức độ tắt dần

Mức độ tắt dần phụ thuộc vào lực cản:

d) Ứng dụng

Dao động tắt dần có thể có lợi hoặc có hại.

Ứng dụng điển hình là bộ phận giảm xóc của xe máy và ô tô. Khi xe đi qua chỗ gồ ghề, khung xe dao động. Bộ giảm xóc làm dao động tắt nhanh, giúp xe ổn định và người ngồi trên xe ít bị rung lắc.

1.2. Dao động cưỡng bức

a) Khái niệm

Dao động cưỡng bức là dao động xảy ra dưới tác dụng của một ngoại lực tuần hoàn.

Ví dụ: khi xe buýt dừng nhưng động cơ vẫn hoạt động, lực tuần hoàn do động cơ gây ra có thể làm thân xe dao động.

b) Đặc điểm

Khi dao động cưỡng bức đã ổn định:

$$f_{\mathrm{cb}}\mathrm{=f.}$$

Trong đó:

Biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào:

Tần số ngoại lực càng gần tần số riêng thì biên độ dao động cưỡng bức càng lớn.

1.3. Hiện tượng cộng hưởng

a) Định nghĩa

Khi tần số của ngoại lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng của hệ, biên độ dao động cưỡng bức tăng lên và đạt giá trị cực đại. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng cộng hưởng.

Điều kiện cộng hưởng:

$$\mathrm{f=}{f}_0.$$

Trong đó:

b) Đường cong cộng hưởng

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của biên độ dao động cưỡng bức vào tần số ngoại lực gọi là đường cong cộng hưởng.

Đặc điểm:

SGK biểu diễn hai đường cong tương ứng với lực cản nhỏ và lực cản lớn.

c) Giải thích hiện tượng cộng hưởng

- Ngoại lực tuần hoàn cung cấp năng lượng cho hệ dao động.

- Khi tần số ngoại lực bằng tần số riêng, ngoại lực tác dụng phù hợp nhất với chuyển động của hệ nên năng lượng được truyền cho hệ hiệu quả nhất. Biên độ dao động tăng dần.

- Khi dao động đã ổn định, năng lượng ngoại lực cung cấp trong một chu kì bằng năng lượng bị tiêu hao do ma sát và lực cản.

Ví dụ khi đẩy xích đu:

1.4. Cộng hưởng trong đời sống và kĩ thuật

a) Cộng hưởng có lợi

Cộng hưởng được ứng dụng để:

b) Cộng hưởng có hại

Khi một công trình hoặc bộ phận máy chịu ngoại lực tuần hoàn có tần số bằng tần số riêng, biên độ dao động có thể tăng rất lớn, gây:

Vì vậy, khi thiết kế cầu, nhà cao tầng, khung xe và máy móc, cần:

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

2.1. Phân biệt dao động tắt dần và dao động cưỡng bức

2.2. Cộng hưởng là một trường hợp đặc biệt của dao động cưỡng bức

- Mọi hiện tượng cộng hưởng cơ học đều gắn với dao động cưỡng bức, nhưng không phải mọi dao động cưỡng bức đều là cộng hưởng.

Chỉ khi:

$$\mathrm{f=}{f}_0$$

và biên độ dao động cưỡng bức đạt cực đại thì mới xảy ra cộng hưởng.

2.3. Biên độ lớn chưa chắc là cộng hưởng

- Ngoại lực rất mạnh có thể tạo ra dao động có biên độ lớn ngay cả khi $\mathrm{f\ne }{f}_0$. Vì vậy, không thể chỉ dựa vào biên độ lớn để kết luận có cộng hưởng.

- Dấu hiệu quyết định là tần số ngoại lực phù hợp với tần số riêng của hệ.

2.4. Vai trò hai mặt của lực cản

Do đó, tăng lực cản là một trong những cách hạn chế cộng hưởng có hại.

3. GHI NHỚ NHANH

$$f_{\mathrm{cb}}\mathrm{=f.}$$

$$\mathrm{f=}{f}_0.$$