Mở đầu SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 26): 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?
Trả lời:
- Các kĩ sư xây dựng đã dựa trên hiện tượng dao động tắt dần. Quả cầu thép nặng 728 tấn cố định bởi các cáp thép gắn trên cao, phản ứng với chuyển động bằng cách dịch chuyển theo hướng ngược lại. Do đó, khi có động đất hay gió mạnh khiến tòa nhà xoay sang phải, hệ thống sẽ phản ứng lại bằng cách xoay sang trái – giảm thiểu tối đa sự dịch chuyển.
1. Dao động tắt dần
a. Quan sát hiện tượng dao động tắt dần
Câu hỏi 1 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 26): Quan sát Hình 4.2 và mô tả chuyển động của xích đu, ván nhảy cầu sau khi ngừng tác dụng lực.
Trả lời:
- 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 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 26): Nêu một số ví dụ thực tế khác về hiện tượng dao động tắt dần.
Trả lời:
- Ví dụ: dao động con lắc đồng hồ, dao động bộ giảm xóc của ôtô, xe máy,...
b. Giải thích hiện tượng dao động tắt dần
Luyện tập SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 27): 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:
- Dao động của vật nặng sẽ tắt dần nhanh nhất trong chất lỏng khi có gắn thêm vật cản, tắt dần chậm nhất trong không khí.
- Vì khi dao động chịu tác dụng của lực cản càng lớn thì tắt dần càng nhanh
Vận dụng SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 28): 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
a. Dao động cưỡng bức
Câu hỏi 3 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 28): 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?
Trả lời:
- 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 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 29): Nêu một số ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế.
Lời giải:
- Ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế:
- 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.
b. Hiện tượng cộng hưởng
Luyện tập SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 30): 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.
c. Lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng
Câu hỏi 4 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 30): Trình bày một số lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng trong thực tế mà em biết.
Trả lời:
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 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 31): 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:
Tòa nhà có 101 tầng phía trên mặt đất và 5 tầng hầm được xây dựng sâu vào lòng đất, ngoài có chức năng là tầng hầm thì nó cũng đóng vai trò là nền móng vững chắc nâng đỡ sức nặng của toàn bộ công trình. Nền móng của công trình được gia cố bởi 380 cọc lớn, mỗi chiếc cọc có đường kính 1,5 m đâm sâu đến 80 m xuống lòng đất.
Taipei 101 có khả năng chịu được động đất với thiết kế có sự ổn định đặc biệt, được kiểm chứng trong một trận động đất 6,8 độ richter xảy ra trong quá trình thi công tòa tháp vào ngày 31 tháng 3 năm 2002, làm rung chuyển thành phố Đài Bắc.
Có một điểm thiết kế vô cùng thú vị của tòa nhà chính là bộ phận giảm chấn được treo suốt dọc tầng 87 đến tầng 92. Con lắc bằng thép này nặng đến 728 tấn, có chức năng điều chỉnh độ rung lắc của tòa nhà, khi công trình bị tác động với gió mạnh hoặc động đất, con lắc sẽ đu đưa theo chiều ngược lại của hướng rung lắc. Con lắc đặc biệt có dạng hình cầu, cũng là thiết bị giảm chấn dạng hình cầu lớn nhất thế giới tính đến nay.
Vận dụng SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 31): 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.
Lời giải:
- 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 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 tập
Bài tập 1 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 31): 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 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 31): Hãy chỉ ra hai trường hợp cộng hưởng có lợi và hai 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:
Trường hợp cộng hưởng có lợi:
- Gảy dây đàn ghita, khi dây đàn dao động, nhờ có hộp cộng hưởng mà ta có thể nghe thấy âm thanh to, rõ hơn. Hệ dao động ở đây là dây đàn và sóng âm trong hộp cộng hưởng, khi dây đàn dao động, làm cho không khí xung quanh dao động tạo ra sóng âm, sóng âm này dao động trong hộp cộng hưởng, biên độ sóng âm tăng lên.
- 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. 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.
Trường hợp cộng hưởng có hại:
- Một động cơ điện đặt trên một tấm ván, nếu tần số quay của động cơ gần bằng tần số riêng của tấm ván thì ván có thể rung rất mạnh.
- Năm 1906, một trung đội bộ binh (36 người) đi qua cây cầu bắc qua sông Phô – tan – ka ở Xanh – pê – téc – bua (Nga), khi đi đều qua cầu thì cầu bị gãy. Nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là do tần số đi đều của những người lính gần bằng với tần số dao động riêng của cầu dẫn đến hiện tượng cộng hưởng.
Bài tập 3 SGK Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4 (trang 31): 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.
Lời giải:
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.