I.6. CÁC LOẠI DAO ĐỘNG

Đây là phần kiến thức các em học sinh dễ bị hổng nhất. Vì kiến thức về dao động tự do, dao động tắt dần, dao động duỳ trì và dao động cưỡng bức là kiến thức đa phần được khái thác dưới dạng các câu hỏi trắc nghiệm lý thuyết, còn các các bài tập trắc nghiệm về dao động tắt dần thường bị học sinh coi là khó. Tuy nhiên để có thể giải quyết các câu hỏi trắc nghiệm về các loại dao động: Dao động tắt dần; dao động duy trì; dao động cưỡng bức thì các em cần nắm chắc được các kiến thức sau:

1. Dao động tự do

Dao động mà chu kì dao động của vật chỉ phụ thuộc các đặc tính của hệ dao động, không phụ thuộc các yếu tố bên ngoài được gọi là dao động tự do. Chu kì giao động tự do gọi là chu kì dao động riêng.

Con lắc lò xo là một ví dụ vì  chỉ phụ thuộc vào các đặc tính bên trong của hệ đó là k và m.

không phụ thuộc vào các yếu tố nào bên ngoài.

2. Dao động tắt dần

a. Định nghĩa

Là dao động mà biên độ giảm dần theo thời gian.

b. Nguyên nhân

Do lực ma sát của môi trường lên cơ hệ. Lực này thực hiện công âm làm cơ năng của con lắc giảm dần. Ma

sát càng lớn. dao động sẽ ngừng lại (tắt) càng nhanh.

c. Chú ý khi làm bài tập

- Liên hệ giữa độ giảm cơ năng và độ giảm biên độ:  chúng ta sẽ dùng công thức này đế giải các bài xuôi ngược cho nhanh.

- Các bài toán khác đòi hỏi hiểu rõ chuyển động: có thể căn cứ vào hình sau

    + Tính luôn $x_0=\frac{F_{ms}}{k}=\frac{\mu mg}{k}$   

     Một con lắc lò xo dao động tắt dần với biên độ lớn nhất A, hệ số ma sát µ. 

    * Độ giảm biên độ sau mỗi chu kỳ là:ΔA_(T/4) = x₀; ΔA_(T/2) = 2x₀; ΔA_(T) = 4.x₀    

     *  Vị trí cân bằng: Giới hạn giữa hai điểm O₁ và O₂

             (Nếu vật dừng lại cũng chỉ ở giữa O₁ và O₂)

    * Vận tốc cực đại:          v_max = w.A_TD

     * Biên độ dao động tắt dần          A_TD = A - ΔA        

  + Một số câu hỏi khác (chỉ là gần đúng)

   * Số chu kỳ dao động mà vật đi được cho tới khi tắt hẳn: N=$\frac{A_0}{4.x_0}=\frac{k{A}_0}{4.\mu .mg}$

3. Dao động duy trì

a. Định nghĩa

Là dao động có biên độ không đổi theo thời gian

b. Nguvên tắc duy trì dao động

Về nguyên tắc phải tác dụng vào con lắc một lực tuần hoàn với tần số bằng tần số riêng. Lực này phải nhỏ để không làm biến đổi tần số riêng của con lắc, cung cấp cho nó một năng lượng đúng bằng phần năng lượng tiêu hao sau mỗi nửa chu kì.

4. Dao động cưỡng bức

a. Định nghĩa

Dao động cưỡng bức Là dao động luôn chịu tác dụng của một ngoại lực biến thiên tuần hoàn, biểu thức lực có dạng

F = F₀cos(ωt + φ).

b. Đặc điểm: Có 2 đặc điểm chính của dao động cưỡng bức

* Về tần số: Trong khoảng thời gian ban đầu nhỏ, dao động của vật là một dao động phức tạp vì đó là sự tổng hợp của dao động riêng và dao động do ngoại lực gây ra. Sau khoảng thời gian nhỏ này, dao động riêng bị tắt hẳn, chỉ còn lại dao động do tác dụng của ngoại lực gây ra, đó là dao động cưỡng bức, và dao động cưỡng bức này có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.

* Về biên độ: Dao động cưỡng bức có biên độ phụ thuộc vào F₀, vào ma sát và đặc biệt 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 càng tăng, và nếu f ≈ f₀ thì xảy ra cộng hưởng.

Chú ý: Dao động duy trì và dao động cưỡng bức có sự khác biệt như sau:

+ Về sự bù đắp năng lượng:

- Tự dao động: cung cấp một lần năng lượng, sau đó hệ tự bù đắp năng lượng từ từ cho con lắc.

- Dao động cưỡng bức: 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 theo tần số f₀ của hệ.

- Dao động cưỡng bức: dao động duy trì theo tần số f của ngoại lực.

c. Sự cộng hưởng

- Định nghĩa. Cộng hưởng là hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức 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 nhỏ.

- Ứng dụng của cộng hưởng:

* Cộng hưởng có lợi:

- Với một lực nhỏ có thế tạo dao động có biên độ lớn. Ví dụ một em nhỏ cần đưa võng cho người lớn, sức của em bé có hạn nên không thế đấy võng lên cao ngay được, nhưng nếu em bé đẩy võng bằng những xung nhịp mà tần số bằng tân số riêng của võng thì có thể đưa võng lên rất cao.

- Bản thân dây đàn phát ra âm rất nhỏ, nhờ bầu đàn đóng vai trò hộp cộng hưởng mà âm phát ra to hơn.

* Cộng hưởng có hại: Mọi vật đàn hồi đều là hệ dao động và đều có tần số riêng của nó. Đó có thế là chiếc cầu, bệ máy, khung xe, thành tàu, vv.... Nếu vì một lí do nào đó chúng dao động cộng hưởng với một vật dao động khác, điều này làm chúng rung lên rất mạnh và có thể bị gãy, đổ.