Với giải Vận dụng trang 31 Vật lí lớp 11 Chân trời sáng tạo chi tiết trong Bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng giúp học sinh dễ dàng xem và so sánh lời giải từ đó biết cách làm bài tập Vật lí 11. Mời các bạn đón xem:

Giải bài tập Vật lí lớp 11 Bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

Vận dụng trang 31 Vật Lí 11: 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:

Động đất luôn là một hiện tượng tự nhiên đáng sợ và nó trở nên nguy hiểm hơn khi các thành phố ngày càng phát triển đi kèm với những rủi ro sụp đổ của các tòa nhà cao tầng.​

Tại sao các tòa nhà lại sụp đổ khi động đất và làm thế nào để ngăn chặn điều này?
Nếu như bạn đã từng xem các bộ phim thảm họa, bạn có thể nghĩ rằng các tòa nhà sụp đổ do nguyên nhân trực tiếp là mặt đất dưới chân chúng rung lắc dữ dội hay thậm chí là tách ra xa nhau. Nhưng đó không thực sự là cách chúng sụp đổ vì hầu hết các tòa nhà không nằm đúng vị trí đứt gãy và sự dịch chuyển các mảng kiến tạo thì xảy ra ở sâu hơn nhiều so với nền móng của các tòa nhà. Trên thực tế, sự ảnh hưởng của động đất đến các tòa nhà phức tạp hơn nhiều.

Vậy điều gì mới là nguyên nhân thực sự khiến các tòa nhà sụp đổ?

Khi mặt đất chuyển động bên dưới tòa nhà, chúng gửi các làn sóng xung kích qua các phần còn lại của cấu trúc và khiến nó rung lắc qua lại. Sức mạnh của sự dao động này phụ thuộc vào 2 yếu tố chính là khối lượng của tòa nhà (tập trung chủ yếu ở phần nóc) và độ chắc chắn của nó (yếu tố chủ yếu của sự dao động). Các tòa nhà thấp thường chắc chắn hơn, trong khi các tòa nhà cao thì mềm dẻo hơn.

Vậy là mọi người nghĩ rằng giải pháp chống sập nhà là xây dựng các tòa nhà thấp hơn để chúng biến dạng ít nhất có thể.

Nhưng trận động đất năm 1985 ở Mexico là ví dụ tốt cho thấy điều đó không hoàn toàn đúng. Trong trận động đất, nhiều tòa nhà từ 6 đến 15 tầng đã bị sụp đổ. Điều lạ là các tòa nhà thấp hơn 6 tầng gần đó vẫn đứng vững và các tòa nhà cao hơn 15 tầng cũng hầu như không bị ảnh hưởng, còn các tòa nhà cỡ trung thì lại rung lắc dữ dội hơn và bị sụp đổ.

Điều đã xảy ra ở Mexico là 1 hiệu ứng gọi là cộng hưởng, khi mà tần số của làn sóng địa chấn động đất xảy ra cùng với tần số tự nhiên của các tòa nhà tầm trung. Giống như sự thúc đẩy cùng nhịp cho xích đu. Mỗi làn sóng địa chấn sẽ khuếch đại thêm sự rung lắc của tòa nhà và ngày càng mạnh hơn cuối cùng đi quá giới hạn mà tòa nhà có thể chịu được gây sụp đổ.

Ngày nay, các kĩ sư làm việc với các nhà địa chất và địa chấn học để dự đoán tần số của động đất tại các vị trí xây dựng để ngăn chặn sự sụp đổ do cộng hưởng, dựa vào các yếu tố như loại đất hay dữ liệu của các trận động đất trước kia. Dao động với tần số thấp sẽ gây nhiều thiệt hại cho các tòa nhà cao hơn và mềm dẻo hơn trong khi dao động với tần số cao sẽ gây nguy hiểm với các cấu trúc thấp và chắc chắn.

Các kĩ sư cũng đã nghĩ ra cách để hấp thụ rung lắc để hạn chế sự biến dạng bằng cách sử dụng công nghệ mới.

- Dựa trên độ linh hoạt để cô lập sự dao động của phần nền so với phần còn lại của tòa nhà.

- Dựa trên sự dao động lệch pha để điều tiết xóa bỏ sự cộng hưởng với tần số tự nhiên để giảm rung lắc.

Lý thuyết Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

a. Dao động cưỡng bức

- Dao động của vật dưới tác dụng của ngoại lực điều hòa trong giai đôạn ổn định được gọi là dao động cưỡng bức. Ngoại lực điều hòa tác dụng vào vật khi này được gọi là lực cưỡng bức

- Tính chất của dao động cưỡng bức

+ Dao động cưỡng bức trong giai đoạn ổn định là dao động điều hòa

+ Tần số góc của dao động cưỡng bức bằng tần số góc của lực cưỡng bức

+ Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ F₀, độ chênh lệch giữa tần số góc của lực cưỡng bức và tần số góc riêng của hệ, lực cản của môi trường xung quanh

b. Hiện tượng cộng hưởng

- Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số góc của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số góc riêng của hệ dao động. Khi này, biên độ dao động cưỡng bức của hệ đạt giá trị cực đại A_max

c. Lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng

- Khi thiết kế các công trình lớn như nhà cao tầng hoặc cầu đường, các kĩ sư cần có những phương án xử lí kĩ thuật nhằm tránh xảy ra cộng hưởng trên hệ thống

- Sóng địa chấn đã tạo ra lực cưỡng bức lên các tòa nhà, gây hiện tượng cộng hưởng làm nhiều tòa nhà có độ cao trung bình rung lắc dữ dội và sụp đổ hoàn toàn, trong khi những tòa nhà cao hơn hoặc thấp hơn hẳn lại đứng vững

- Trong lĩnh vực âm nhạc: Mỗi nhạc cụ phát ra những giai điệu âm thanh mang nét đặc trưng riêng của nhạc cụ đó. Để khuếch đại độ to của âm thanh mà không làm mất đi nét đặc trưng riêng đó, người ta sử dụng buồng đặc biệt là buồng cộng hưởng