Tìm hiểu về dao động tắt dần và dao động cưỡng bức

Trong chương trình Vật lý lớp 12, dao động tắt dần và dao động cưỡng bức là những kiến thức khá phức tạp. Vậy dao động tắt dần và dao động cưỡng bức là gì? Team Marathon Education đã tổng hợp các khái niệm và lý thuyết liên quan đến nội dung này qua bài viết dưới đây.

>>> Xem thêm: Thế Năng Là Gì? Công Thức Tính Thế Năng Trọng Trường Và Thế Năng Đàn Hồi

Dao động tắt dần là gì?

Dao động tắt dần là những dao động có biên độ và năng lượng giảm dần theo thời gian. Nguyên nhân khiến dao động tắt dần là do lực ma sát hoặc lực cản của môi trường gây nên. 

Chu kì và tần số của dao động tắt dần không phụ thuộc vào biên độ dao động mà phụ thuộc vào chu kì và tần số dao động riêng của vật.

Có 2 loại dao động tắt dần:

• Dao động tắt dần nhanh
• Dao động tắt dần chậm

Các công thức tính dao động tắt dần 

1. Công thức tính độ giảm biên độ sau mỗi chu kì dao động:

Trong một chu kì độ giảm biên độ:

ΔA= 2ΔA' = \frac{4μmg}{k}

Biên độ dao động giảm đều sau mỗi chu kì:

ΔA= \frac{4μg}{ω^2}

>>> Xem thêm: Lý Thuyết Lý 10: Cơ Năng Là Gì Và Công Thức Tính Cơ Năng

2. Số dao động vật thực hiện cho tới khi dừng lại

N = \frac{A}{ΔA}=\frac{A. ω^2}{4μg} \text{ hay } N = \frac{A}{ΔA}=\frac{kA}{4μmg} 

3. Thời gian vật dao động cho tới khi dừng lại

t = \frac{N}{T} = \frac{A.ω^2}{4μg}.\frac{2π}{ω}=\frac{πωA}{2μg}\ (s)

4. Độ giảm năng lượng của dao động sau mỗi chu kì

ΔE= 1 - (1 - ΔA\%)^2

Trong đó:

• A: biên độ dao động (m)
• μ: hệ số ma sát
• m: khối lượng của vật (kg)
• g: gia tốc rơi tự do (m/s²)
• k: độ cứng của con lắc lò xo (N/m)
• ω: tần số góc (rad/s)
• N: số dao động vật thực hiện
• E: năng lượng của vật (J)

>>> Xem thêm: Động Năng Là Gì? Định Lý Và Công Thức Tính Động Năng

Dao động cưỡng bức là gì?

Dao động cưỡng bức là dao động biến thiên tuần hoàn theo thời gian dưới sự tác động của ngoại lực. Lực tác dụng này được gọi là lực cưỡng bức tuần hoàn (ngoại lực cưỡng bức) và được tính bằng công thức: F(t) = F(t + kt)

Chu kì và tần số của dao động cưỡng bức chính là chu kì và tần số của ngoại lực cưỡng bức.

Biên độ dao động cưỡng bức không phụ thuộc pha ban đầu nhưng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Tần số lực cưỡng bức 
• Biên độ của ngoại lực F₀
• Lực ma sát

>>> Xem thêm: Lý thuyết về con lắc đơn, công thức và bài tập minh họa

Hiện tượng cộng hưởng

Định nghĩa

Hiện tượng biên độ của dao động cưỡng bức (f) tăng đột ngột đến giá trị cực đại khi tần số lực cưỡng bức bằng tần số dao động riêng của vật là hiện tượng cộng hưởng.

Điều kiện để xảy ra hiện tượng cộng hưởng: A­_cb = A_max khi f_cb = f₀

Giải thích

Khi tần số của lực cưỡng bức (f) có giá trị bằng tần số riêng của hệ dao động, dao động được cung cấp năng lượng đúng lúc và khiến cho biên độ dao động (f₀) của hệ tăng dần lên. 

Khi tốc độ tiêu hao năng lượng do ma sát bằng tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ thì biên độ dao động đạt tới giá trị không đổi và cực đại.

Ví dụ về hiện tượng cộng hưởng:

• Trong quân đội, bộ đội không được phép bước đều khi đi qua cầu vì tần số bước đi của đoàn quân có thể trùng với tần số dao động riêng của chiếc cầu, gây ra cộng hưởng và làm sập cầu.
• Giọng hát làm vỡ ly thủy tinh: Các loại thủy tinh có tần số cộng hưởng tự nhiên của chúng. Vì vậy, khi chúng ta hát và tạo ra âm thanh có tần số trùng với với tần số cộng hưởng của thủy tinh, ly sẽ bắt đầu dao động. Âm thanh càng lớn thì ly rung càng mạnh hơn và vỡ ra thành nhiều mảnh.

Tầm quan trọng của hiện tượng cộng hưởng

Hiện tượng cộng hưởng được ứng dụng vào các ngành như: xây dựng nhà cửa, xây dựng cầu đường, sản xuất chất tạo máy móc… Trong quá trình xây dựng, hệ dao động như tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe,… đều có tần số riêng. Ta phải cẩn thận không để cho các hệ này chịu tác dụng của các lực cưỡng bức có tần số bằng tần số riêng. Nếu không, lực này có thể làm cho các hệ ấy dao động mạnh, dẫn đến đổ hoặc gãy gây nên những hậu quả nghiêm trọng về tài sản, tính mạng con người.

Ngoài ra, hiện tượng cộng hưởng còn được ứng dụng dùng để sản xuất hộp đàn (ghita, viôlon…)

Tham khảo ngay các khoá học online của Marathon Education

Hy vọng với những kiến thức về bài học dao động tắt dần cũng như dao động cưỡng bức mà Team Marathon Education vừa chia sẻ, các em có thể hệ thống và nắm vững kiến thức đã học, đồng thời vận dụng và giải được bài tập. Chúc các em học tập tốt!

Hãy liên hệ ngay với Marathon để được tư vấn nếu các em có nhu cầu học trực tuyến nâng cao kiến thức nhé! Marathon Education chúc các em được điểm cao trong các bài kiểm tra và kỳ thi sắp tới!