MỞ ĐẦU
Câu hỏi: 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?
Lời giải:
- 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.
1. DAO ĐỘNG TẮT DẦN
Câu hỏi 1: Quan sát Hình 4.2 và mô tả chuyển động của xích đu, ván nhảy cầu sau khi ngừng tác dụng lực.
Lời giải:
- Sau khi ngừng tác dụng lực vật vẫn sẽ chuyển động nữa nhưng với biên độ nhỏ dần rồi từ từ dừng lại.
Câu hỏi 2: Nêu một số ví dụ thực tế khác về hiện tượng dao động tắt dần.
Lời giải:
- Ví dụ: dao động con lắc đồng hồ, dao động bộ giảm xóc của ôtô, xe máy,...
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.
Lời giải:
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.
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.
Lời giải:
- 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…
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?
Lời giải:
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.
Luyện tập 1: Nêu một số ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế.
Lời giải:
- 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.
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.
Lời giải:
- 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 là con lắc số 4.
Câu hỏi 4: Trình bày một số lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng trong thực tế mà em biết.
Lời giải:
- 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).
Lời giải:
- 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.
BÀI TẬP
Bài tập 1: Cho ví dụ về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong thực tiễn.
Lời giải:
- Các thiết bị đóng cửa tự động hay giảm xóc ô tô, xe máy... là những ứng dụng của dao động tắt dần.
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.
Lời giải:
- 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 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.
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).
a) Dao động của con lắc lò xo trong máy đo địa chấn khi cơn địa chấn xuất hiện là đạo động cưỡng bức. Khi sóng động đất được truyền tới, mặt đất bị rung chuyển và đóng vai trò như nguồn tạo ra lực cưỡng bức tác dụng lên con lắc lò xo trong máy đo địa chấn.
b) Hệ con lắc lò xo trong máy đo địa chấn cần được thiết kế có tần số dao động riêng cũng nằm trong khoảng 30 Hz – 40 Hz để những tín hiệu ghi nhận được có biên độ lớn, dễ dàng cho chúng ta trong việc quan sát và xử lí tín hiệu.
Bình luận