Trả lời nhanh
Dao động cưỡng bức là dao động của hệ chịu tác dụng của ngoại lực biến thiên tuần hoàn từ bên ngoài. Ví dụ thực tế: màng loa rung theo dòng điện, thân máy giặt rung khi vắt, màng nhĩ rung theo sóng âm, xích đu được đẩy đều đặn, mặt cầu rung khi đoàn người đi đều bước, nhà cửa rung khi có động đất.
Nhắc nhanh: dao động cưỡng bức là gì?
Một hệ dao động thực tế luôn có ma sát nên dao động tắt dần. Muốn hệ dao động mãi, ta phải tác dụng lên nó một ngoại lực biến đổi tuần hoàn. Dao động của hệ lúc này gọi là dao động cưỡng bức.
Ba đặc điểm cần nhớ:
- Sau một thời gian ngắn, hệ dao động ổn định với tần số bằng tần số của ngoại lực, không phải tần số riêng của hệ.
- Biên độ phụ thuộc vào biên độ của ngoại lực: ngoại lực càng mạnh thì biên độ càng lớn.
- Biên độ còn phụ thuộc vào độ chênh giữa tần số ngoại lực f và tần số riêng f0. Hai tần số càng gần nhau thì biên độ càng lớn; khi f ≈ f0 ta có hiện tượng cộng hưởng.
Các ví dụ về dao động cưỡng bức trong đời sống
| Ví dụ | Ngoại lực tuần hoàn là gì? | Vật dao động cưỡng bức |
|---|---|---|
| Loa phát âm thanh | Lực từ do dòng điện xoay chiều tín hiệu âm tần tạo ra | Màng loa |
| Màng nhĩ khi nghe nhạc | Áp suất biến thiên của sóng âm | Màng nhĩ |
| Máy giặt đang vắt | Lực ly tâm của khối quần áo lệch tâm, quay đều | Thân máy và sàn nhà |
| Xe máy nổ máy đứng yên | Lực đẩy tuần hoàn của piston trong xi lanh | Thân xe, gương chiếu hậu |
| Máy khâu | Chuyển động tuần hoàn của động cơ truyền qua cơ cấu | Kim khâu |
| Đẩy xích đu theo nhịp | Lực đẩy của tay lặp lại đều đặn | Xích đu và người ngồi |
| Máy đầm bê tông, máy khoan | Lực do động cơ rung tạo ra | Khối bê tông, tay cầm máy |
| Nhà cao tầng khi động đất | Chuyển động rung của nền đất | Toà nhà |
| Thùng đàn guitar, violin | Dao động của dây đàn truyền qua cầu đàn | Thùng đàn (làm âm to, vang hơn) |
| Xe qua đoạn đường có nhiều gờ giảm tốc đều nhau | Va chạm tuần hoàn với các gờ | Khung xe, người ngồi trên xe |
Giải thích vì sao đó là dao động cưỡng bức
Lấy màng loa làm ví dụ. Màng loa không tự dao động; nó bị cuộn dây có dòng điện biến thiên kéo đi kéo lại. Vì vậy tần số rung của màng đúng bằng tần số của tín hiệu âm thanh, và âm phát ra có cao độ đúng như bản nhạc.
Với máy giặt, khối quần áo dồn lệch về một phía và quay đều cùng lồng giặt. Mỗi vòng quay tạo ra một lần lực đẩy lên thân máy, nên thân máy rung với tần số bằng số vòng quay mỗi giây. Khi tốc độ vắt tăng dần, có lúc máy rung dữ dội rồi lại êm hơn. Đó là lúc tần số quay đi qua giá trị gần tần số riêng của hệ máy và sàn, tức là gần cộng hưởng.
Cộng hưởng: trường hợp đặc biệt của dao động cưỡng bức
Khi tần số ngoại lực bằng tần số riêng của hệ, biên độ dao động đạt cực đại. Cộng hưởng có thể có lợi hoặc có hại.
- Có lợi: đẩy xích đu đúng nhịp để xích đu lên cao; thùng đàn cộng hưởng làm âm vang hơn; hộp cộng hưởng của kèn, sáo.
- Có hại: cầu bị rung mạnh khi đoàn người hay đoàn quân đi đều bước (vì thế khi qua cầu yếu người ta thường được yêu cầu đi không theo nhịp); công trình, máy móc bị hỏng nếu tần số rung của động cơ trùng với tần số riêng của khung.
Phân biệt với dao động duy trì và dao động tắt dần
| Loại | Ngoại lực | Tần số dao động | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Tắt dần | Không có, chỉ có lực cản | Gần bằng tần số riêng, biên độ giảm | Con lắc lò xo thả trong nước |
| Cưỡng bức | Do nguồn bên ngoài, độc lập với hệ | Bằng tần số ngoại lực | Màng loa, máy giặt |
| Duy trì | Do chính hệ điều khiển để bù năng lượng mất đi | Bằng tần số riêng | Đồng hồ quả lắc |
Mẹo nhận biết: hãy hỏi “Ai quyết định tần số dao động?”. Nếu một nguồn ngoài bắt hệ dao động theo nhịp của nó thì đó là cưỡng bức. Nếu hệ tự quyết định nhịp và chỉ nhận thêm năng lượng thì đó là duy trì.
Lỗi sai thường gặp
- Cho rằng dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số riêng. Sai, nó bằng tần số ngoại lực.
- Gọi đồng hồ quả lắc là dao động cưỡng bức. Thực ra đó là dao động duy trì, vì lực bù năng lượng do chính cơ cấu của đồng hồ điều khiển theo nhịp con lắc.
- Nghĩ rằng ngoại lực càng lớn thì cộng hưởng. Cộng hưởng phụ thuộc vào sự trùng tần số chứ không phải độ lớn của lực.
- Gọi mọi dao động làm vật rung đều là cưỡng bức. Cần có ngoại lực tuần hoàn tác dụng liên tục.
Bài luyện tập
Bài 1. Trong các trường hợp sau, trường hợp nào là dao động cưỡng bức? (a) Con lắc đồng hồ chạy đều. (b) Màng loa đang phát nhạc. (c) Cành cây rung khi xe tải chạy qua đều đặn trên đường rung. (d) Quả nặng treo lò xo được kéo xuống rồi thả ra trong không khí.
Đáp án: (b) và (c). (a) là dao động duy trì; (d) là dao động tự do, tắt dần chậm.
Bài 2. Một hệ có tần số riêng 5 Hz chịu ngoại lực tuần hoàn tần số 4 Hz. Khi ổn định hệ dao động với tần số bao nhiêu?
Đáp án: 4 Hz, vì dao động cưỡng bức ổn định có tần số bằng tần số ngoại lực.
Bài 3 (số liệu tự đặt). Một đoạn đường có các gờ giảm tốc cách đều nhau 6 m. Khung một chiếc xe có tần số dao động riêng 1,5 Hz. Xe chạy với tốc độ bao nhiêu thì dễ bị rung mạnh nhất?
Đáp án: Cộng hưởng khi tần số va chạm với gờ bằng tần số riêng: f = v/L nên v = L·f = 6 × 1,5 = 9 m/s = 32,4 km/h. Xe nên tránh chạy gần tốc độ này.
Câu hỏi thường gặp
Dao động cưỡng bức là gì? Cho một ví dụ đơn giản.
Là dao động của hệ chịu tác dụng của ngoại lực biến thiên tuần hoàn. Ví dụ đơn giản: màng loa rung theo tín hiệu điện của bản nhạc.
Tần số của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào đại lượng nào?
Khi ổn định, tần số của dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực, không phụ thuộc vào tần số riêng của hệ.
Đồng hồ quả lắc có phải dao động cưỡng bức không?
Không. Đó là dao động duy trì: hệ tự điều khiển việc bổ sung năng lượng và vẫn dao động với tần số riêng của con lắc.
Cộng hưởng khác dao động cưỡng bức thế nào?
Cộng hưởng là trường hợp riêng của dao động cưỡng bức khi tần số ngoại lực xấp xỉ tần số riêng của hệ, làm biên độ dao động đạt giá trị cực đại.