【Dao Động Cưỡng Bức】 Định Nghĩa – Đặc Điểm ❤️ Bài Tập Ví Dụ

Cùng học lý thuyết Dao Động Cưỡng Bức và sự cộng hưởng. Ứng dụng trong giải bài tập và các ví dụ cơ bản.

Định nghĩa dao động cưỡng bức

Dao động cưỡng bức là dao động luôn chịu tác dụng từ ngoại lực biến thiên tuần hoàn, biểu thức lực có dạng là: F = F₀cos(ωt + φ)

Ví dụ: Lúc đến bến xe buýt, xe chỉ tạm dừng và không tắt máy, thân xe dao động. Đó là dao động cưỡng bức dưới tác dụng của lực cưỡng bức tuần hoàn gây ra bởi chuyển động của pit tông trong xi lanh

Đặc điểm dao động cưỡng bức

• Về tần số: Trong khoảng thời gian ban đầu nhỏ, dao động của vật sẽ là một dao động phức tạp vì đó là sự tổng hợp của dao động riêng và của dao động do ngoại lực gây ra. Sau khoảng thời gian nhỏ này, dao động riêng bị tắt dần hẳn, chỉ còn lại dao động do tác dụng của ngoại lực gây ra và đó là dao động cưỡng bức, dao động cưỡng bức này có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.
• Về biên độ: Dao động cưỡng bức sẽ có biên độ phụ thuộc vào F₀, vào ma sát và đặc biệt sẽ phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa tần số f của lực cưỡng bức và tần số riêng f₀ của hệ. Nếu tần số f càng gần với tần số riêng f₀ thì biên độ của dao động cưỡng bức sẽ càng tăng, và nếu f ≈ f₀ thì xảy ra cộng hưởng.

Sự khác biệt dao động cưỡng bức & dao động duy trì

Về sự bù đắp năng lượng:

• Tự dao động: cung cấp một lần năng lượng, sau đó hệ sẽ tự bù đắp năng lượng từ từ cho con lắc.
• Dao động cưỡng bức: sẽ bù đắp năng lượng cho con lắc từ từ trong từng chu kì và do ngoại lực thực hiện thường xuyên.

Về tần số:

• Tự dao động: dao động duy trì và theo tần số f₀ của hệ.
• Dao động cưỡng bức: dao động duy trì và theo tần số f của ngoại lực.

Hiện tượng cộng hưởng

Định nghĩa. Cộng hưởng là hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức sẽ tăng nhanh đột ngột đến một giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức bằng tần số riêng của f₀ của hệ.

Đặc điểm: Hiện tượng thể hiện rõ nét nếu lực cản của môi trường là nhỏ.

Ứng dụng của cộng hưởng:

• Cộng hưởng có lợi: Bản thân dây đàn phát ra âm rất nhỏ, nhưng nhờ bầu đàn đóng vai trò hộp cộng hưởng mà âm phát ra to hơn rất nhiều.
• Cộng hưởng có hại: Mọi vật đàn hồi đều là hệ dao động và đều có tần số riêng của nó. Đó có thể là chiếc cầu, bệ máy, khung xe, thành tàu, vv…. Nếu vì một lý do nào đó chúng dao động cộng hưởng với một vật dao động khác, như vậy làm chúng rung lên rất mạnh và có thể bị gãy, đổ.

Một số bài tập về dao động

Ví dụ 1: Một con lắc lò xo gồm viên bi nhỏ khối lượng m và lò xo khối lượng không đáng kể có độ cứng 160 N/m. Con lắc dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn có tần số f. Biết biên độ của ngoại lực tuần hoàn không đổi. Khi thay đổi f thì biên độ dao động của viên bi thay đổi và khi f = 2$\pi$ Hz thì biên độ dao động của viên bi đạt cực đại. Tính khối lượng của viên bi.

Ví dụ 2: Một tàu hỏa chạy trên một đường ray, cứ cách khoảng 6,4 m trên đường ray lại có một rãnh nhỏ giữa chổ nối các thanh ray. Chu kì dao động riêng của khung tàu trên các lò xo giảm xóc là 1,6 s. Tàu bị xóc mạnh nhất khi chạy với tốc độ bằng bao nhiêu?

Trên đây là lý thuyết và bài tập về dao động cưỡng bức. Chúc các bạn học tốt