Lý thuyết về dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, dao động duy trì và sự cộng hưởng

Chúng ta đã học về con lắc đơn, con lắc lò xo khi dao động điều hòa. Trong dao động điều hòa, ta thường bỏ qua lực ma sát. Nhưng thực tế, chuyển động nào cũng tạo ra lực ma sát và điều này làm cho các vật không phải dao động điều hòa

1. Dao động tắt dần

a) Định nghĩa

Trên thực tế, bất kì chuyển động nào cũng tạo ra ma sát, làm cản trở chuyển động, biến năng lượng của vật thành nhiệt năng. 

Lấy ví dụ về con lắc lò xo, khi kéo con lắc khỏi vi trị cần bằng, ta có cơ năng W=1/2 kA^2. Càng dao động thì biên độ con lắc lò xo càng giảm và đến một lúc nào đó thì dừng lại. Nguyên nhân là do lực ma sát chuyển hóa thành nội năng giữa con lắc lò xo và giá đỡ. Cơ năng giảm, mà độ cứng không đổi, ta suy ra biên độ của con lắc giảm.

=> Đây là một trường hợp về dao động tắt dần

Định nghĩa dao động tắt dần: Dao động tắt dần là dao động có biên độ (hoặc năng lượng) giảm dần theo thời gian do tác dụng của lực ma sát

Khi lực ma sát càng nhỏ, dao động tắt dần càng chậm, và ngược lại.

Chú ý: Dao động tắt dần càng nhanh theo thứ tự môi trường: không khí, nước, dầu,…(mật độ vật chất trong môi trường càng lớn thì dao động tắt dần càng nhanh)

b) Ứng dụng: 

Dao động tắt dần vừa có lợi vừa có hại tùy vào mỗi trường hợp

Ví dụ về có lợi: Bộ phận giảm xóc xe máy, bộ phận đóng khép cửa tự động,….

Ví dụ về có hại: Đồng hồ quả lắc dao động một lúc rồi dừng lại

2. Dao động duy trì

a) Định nghĩa 

Khi không muốn dao động tắt dần, người ta thực hiện dao động duy trì cho vật.

Định nghĩa: Dao động duy trì là dao động được cung cấp phần năng lượng đúng bằng phần năng lượng mất đi sau mỗi chu kỳ.

Bộ phận cung cấp năng lượng nằm bên trong hệ

Lý thuyết về dao động tắt dần

b) Tính chất

Dao động duy trì có tần số, chu kỳ, tần số góc giống với dao động điều hòa

Từ đây ta có thêm khái niệm dao động tự do: Dao động chỉ chịu tác dụng của nội lực hay chu kì và tần số của vật chỉ phụ thuộc vào đặc tính riêng của vật (Ví dụ: Con lắc lò xo)

Người ta còn nói dao động duy trì là sự tự dao động. Bộ phận cung cấp năng lượng nằm trong hệ nên khi ta kích thích lần đầu, vật sẽ tự dao động.

c) Ứng dụng: con lắc đồng hồ,….

3. Dao động cưỡng bức

a) Định nghĩa:

Dao động cưỡng bức là dao động chịu tác dụng của một ngoại lực tuần hoàn F=Fo cos t (Trong chương trình phổ thông, ta coi dao động cưỡng bức là dao động điều hòa). Fo là biên độ ngoại lực, là tần số góc của ngoại lực

Ví dụ: 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.

ω=Ω

b) Tính chất 

Biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào Ω, ω và tỉ lệ với Fo

|ω-Ω| càng lớn thì A càng nhỏ và ngược lại.

4. Sự cộng hưởng

a) Định nghĩa:

Cộng hưởng là hiện tượng biên độ của dao động cưỡng bức đạt cực đại khi tần số của ngoại lực bằng tần số riêng

Ví dụ: Một con lắc lò xo có tần số góc bằng 10 rad. Người ta làm thí nghiệm và thấy rằng khi tần số ngoại lực bằng 10 rad thì biên độ của con lắc lò xo đạt cực đại

Trong xây dựng, người ta rất chú ý đến sự cộng hưởng. Mỗi vật đều có tần số riêng, giả dụ khi xây cầu mà để xảy ra hiện tượng cộng hưởng thì rất dễ sụp đổ vì nó dao động với biên độ lớn.

b) Tính chất

Khi biên độ cưỡng bức lớn nhất và ω=Ω => xảy ra hiện tượng cộng hưởng

c) Ứng dụng

Hiện tượng cộng hưởng có rất nhiều ứng dụng trong y học, điện lực, truyền hình,xây dựng. Có thể kể đến một vài ứng dụng tiêu biểu như: Máy chụp cộng hưởng từ sử dụng trong y học để chụp ảnh các cơ quan nội tạng bên trong con người.

Lý thuyết về dao động tắt dần

Hay máy thu sóng điện từ như radio, tivi sử dụng hiện tượng cộng hưởng để chọn thu và khuếch đại các sóng điện từ có tần số thích hợp; mạch khuếch đại trung cao tần sử dụng cộng hưởng khuếch đại các âm thích hợp.

Tuy nhiên hiện tượng cộng hưởng cũng có hại. Những hệ dao động như tòa nhà, khung xe,… đều có tần số riêng. Phải làm sao cho để các hệ này không chịu tác dụng của các lực cưỡng bức có tần số bằng tần số riêng. Nếu không các hệ này sẽ dễ vỡ, sụp đổ.

Lấy ví dụ vào thế kỉ XIX, một quân đoàn Nga đi đều bước  qua một cây cầu và không may tần số bước chân của quân đoàn lại bằng tần số riêng của cây cầu và tai nạn không mong muốn đã xảy ra. Từ đó quân đội Nga không còn quy định mỗi khi đi qua cầu nữa.

Xem thêm:

Tổng hợp dao động điều hòa: Công thức và bài tập