Bài 4. Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng trang 26, 27, 28, 29, 30, 31 Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo

KĐ

Bộ giảm chấn khối lượng (mass damper) (Hình 4.1) được sử dụng để giảm thiểu sự rung lắc của các toà nhà cao tầng khi có gió mạnh hay địa chấn. Toà nhà Taipei 101 tầng (cao 508 m) tại thành phố Đài Bắc, Đài Loan cũng được trang bị bộ giảm chấn khối lượng, là một con lắc với vật nặng khoảng 728 tấn được treo tại trung tâm toà nhà từ tầng 92 xuống đến tầng 87. Nhờ vậy, toà nhà có thể chịu được những cơn bão có sức gió lên tới 216 km/h hay những cơn địa chấn lên đến 7 độ richter. Các kĩ sư xây dựng đã dựa trên những hiện tượng vật lí nào?

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh, còn được gọi là bộ giảm chấn sóng hài hoặc bộ giảm chấn, là một thiết bị được gắn trong các cấu trúc để giảm rung động cơ học, bao gồm một khối lượng được gắn trên một hoặc nhiều lò xo giảm chấn. Nó được xây dựng dựa trên hiện tượng cộng hưởng, tần số dao động của nó được điều chỉnh để giống với tần số cộng hưởng của vật thể mà nó được gắn vào, và làm giảm biên độ cực đại của vật thể trong khi trọng lượng nhỏ hơn nó rất nhiều.
Nó có thể ngăn ngừa sự rung lắc, hư hỏng hoặc hỏng hóc hoàn toàn về cấu trúc. Chúng thường được sử dụng trong truyền tải điện, ô tô và các tòa nhà.

CH 1

Quan sát Hình 4.2 và mô tả chuyển động của xích đu, ván nhảy cầu sau khi ngừng tác dụng lực.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Sau khi ngừng tác dụng lực vật vẫn sẽ chuyển động nữa nhưng với biên độ nhỏ dần rồi từ từ dừng lại.

CH 2

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

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Ví dụ: dao động con lắc đồng hồ, dao động bộ giảm xóc của ôtô, xe máy,...

LT

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.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Dự đoán về dao động của con lắc trong các trường hợp vật nặng thực hiện dao động trong:

a) không khí: vật chuyển động nhanh với biên độ lớn và dừng lâu hơn hai trường hợp còn lại;

b) chất lỏng (nước/dầu): vật chuyển động chậm với biên độ nhỏ và dừng nhanh hơn so với không khí;

c) chất lỏng (nước/dầu) khi có gắn thêm vật cản: vật chuyển động với biên độ bằng khoảng cách từ vị trí cân bằng đến vị trí gắn vật cản và sẽ dừng lại nhanh nhất.

VD

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.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

- 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 ôtô, xe máy…

CH

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?

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Chúng ta sẽ bổ sung năng lượng để bù lại sự tiêu hao năng lượng do lực cản môi trường, chúng ta bổ sung năng lượng cho vật dao động bằng hai cách như truyền năng lượng bổ sung bằng đúng phần năng lượng tiêu hao ở cuối mỗi chu kì dao động của hệ bằng lực cùng chiều chuyển động hoặc sử dụng ngoại lực biến thiên điều hòa theo thời gian.

LT

Nêu một số ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

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.

LT

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.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Những con lắc khác cũng dao động do hiện tượng cộng hưởng, mỗi con lắc dao động với tần số khác nhau

Con lắc dao động mạnh nhất là con lắc có chu kì gần nhất với chu kì dao động của con lắc, mặc khác chu kì dao động của các con lắc đơn lại tỉ lệ với chiều dài → con lắc có chiều dài gần nhất với chiều dài của con lắc do đó sẽ dao động với biên độ lớn nhất

CH

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

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

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.

LT

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).

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

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.

VD

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.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

- 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 1

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

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Các thiết bị đóng cửa tự động hay giảm xóc ô tô, xe máy... là những ứng dụng của dao động tắt dần.

Bài 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.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Cộng hưởng có lợi trong các trường hợp:

- 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.

- Máy chụp cộng hưởng từ sử dụng trong y học để chụp ảnh các cơ quan nội tạng bên trong con người.

- Dẫn điện không cần dây dẫn sử dụng hiện tượng cộng hưởng giữa hai cuộn dây để truyền tải năng lượng điện.

Trong trường hợp cộng hưởng điện hệ dao động là dòng điện nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là do thay đổi tần số của nguồn cưỡng bức bằng với nguồn điện.

Công hưởng có hại trong trường hợp:

- Trong thiết kế các máy móc, công trình xây dựng người ta cũng cần tránh hiện tượng cộng hưởng gây dao động có hại cho máy móc.

Trong trường hợp trên thì máy móc hoặc công trình là hệ dao động và nguyên nhân dẫn đến sự dao động thường là do môi trường hoặc trong quá trình hoạt động dẫn đến hiện tượng dao động.

Bài 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).

a) Dao động của con lắc lò xo trong máy đo địa chấn khi cơn địa chấn xuất hiện là loại dao động gì? Giải thích.

b) Tần số của những cơn địa chấn thường nằm trong khoảng 30 Hz – 40 Hz. Để kết quả ghi nhận là tốt nhất, hệ con lắc lò xo trong máy đo địa chấn cần được thiết kế để có tần số dao động riêng trong khoảng nào? Giải thích.

Phương pháp giải:

Áp dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

a) Máy đo địa chấn đơn giản hoạt động theo nguyên tắc sau đây: Khi xảy ra động đất thì hệ gồm lò xo và vật nặng của máy đo sẽ dao động theo tần số của địa chấn đây là ứng dụng của hiện tượng cộng hưởng dao động.

b) Tần số riêng của hệ (vật nặng + lò xo) trong máy địa chấn phải có giá trị nhỏ hơn tần số sóng địa chấn vì để tránh xảy ra hiện tượng cộng hưởng dao động quá mức gây hỏng máy không đo được tần số của sóng địa chấn.

Lí thuyết