Buzz
1. Quả lắc đồng hồ treo tường có vai trò gì?
Quả lắc đồng hồ cổ treo tường, còn gọi là 'con lắc đồng hồ' hoặc 'con quả tạ đồng hồ', cung cấp và duy trì năng lượng cho đồng hồ để nó chạy chính xác. Nó hoạt động bằng cách dao động và truyền năng lượng từ quả tạ đến bánh răng qua cơ cấu thoát cản, giúp đồng hồ duy trì độ chính xác. Quá trình này tạo ra dao động định kỳ, đảm bảo đồng hồ đo thời gian chính xác.
Khi chiều dài của quả lắc không thay đổi, chu kỳ dao động của nó sẽ ổn định. Quả lắc truyền năng lượng cho hệ thống bánh răng của đồng hồ, làm cho kim đồng hồ di chuyển. Để đồng hồ chính xác, chu kỳ dao động phải không đổi, điều này có thể đạt được bằng cách điều chỉnh chiều dài quả lắc. Tuy nhiên, lực cản không khí và yếu tố khác có thể làm thay đổi chu kỳ dao động theo thời gian, do đó cần lên dây cót định kỳ để cung cấp thêm năng lượng cho quả lắc và giúp kim đồng hồ chuyển động mượt mà.
Ngoài chức năng chính, quả lắc đồng hồ treo tường còn mang lại nhiều lợi ích khác như: Giảm tác động lên các bánh răng, giúp đồng hồ bền bỉ hơn; Hình dáng đẹp mắt của quả lắc làm tăng tính thẩm mỹ, khiến đồng hồ trở nên sang trọng và nổi bật hơn.
2. Bài tập 1.59 trang 20 Vật lý
Bài 1.59: Quả lắc của đồng hồ cổ treo tường có nhiệm vụ duy trì thời gian chính xác cho đồng hồ (Hình 1.22). Sau mỗi chu kỳ dao động, hệ thống bánh răng tiêu tốn năng lượng ∆E = 0,100 mJ do sức cản và sự hoạt động của kim đồng hồ. Năng lượng này được cung cấp từ một quả tạ có trọng lượng P = 50,0 N treo trong hoặc ngoài đồng hồ.
a) Tại sao quả tạ lại hạ thấp sau một thời gian dài sử dụng đồng hồ và cần phải nâng lại?
b) Trong thời gian t = 10,0 ngày, quả tạ sẽ giảm độ cao bao nhiêu mét? Biết rằng trong N = 30,0 chu kỳ dao động của quả lắc, kim giây quay được một vòng.
*Hướng dẫn giải bài tập:
a) Quả tạ hoạt động như một nguồn năng lượng dự trữ dưới dạng thế năng trọng trường, năng lượng này giảm dần qua mỗi chu kỳ dao động để bù đắp cho việc mất mát năng lượng trong quá trình dao động và hệ thống bánh răng. Kết quả là quả tạ dần hạ thấp theo thời gian.
b) Kim giây của đồng hồ quay một vòng mỗi phút, trong khi quả lắc thực hiện N = 30 chu kỳ mỗi phút. Để tính tổng số chu kỳ trong 10 ngày, nhân số chu kỳ mỗi phút với số phút trong giờ, số giờ trong ngày và số ngày:
Tổng số chu kỳ = 30 chu kỳ/phút × 60 phút/giờ × 24 giờ/ngày × 10 ngày = 432.000 chu kỳ
Tiếp theo, tính tổng năng lượng tiêu hao trong 10 ngày bằng cách nhân số chu kỳ với năng lượng tiêu hao mỗi chu kỳ:
E = 432.000 chu kỳ × (0,100 × 10⁻³ J) = 43,2 J
Vậy, sau 10 ngày, quả tạ hạ thấp khoảng 0,864 mét.
3. Bài tập thực hành
Bài 1.50: Một con lắc lò xo treo từ trần toa tàu tại vị trí trên trục bánh xe. Khi tàu chạy với tốc độ đều v = 20,0 m/s, vật m ở đầu lò xo bắt đầu dao động với biên độ cực đại. Chiều dài của mỗi thanh ray trên tàu là L = 12 m. Chu kỳ dao động tự nhiên T₀ của con lắc là bao nhiêu?
Hướng dẫn:
Mỗi khi toa tàu di chuyển qua một thanh ray, nó thực hiện một chu kỳ dao động, bị hạ thấp và nâng cao dưới tác động của trọng lực. Điều này tạo ra một lực ngoại tác động lên vật m. Thời gian hoàn thành một chu kỳ, tức là di chuyển qua một thanh ray, chính là chu kỳ của lực ngoại này. Khi đó, vật m dao động với biên độ lớn nhất, cho thấy hiện tượng cộng hưởng xuất hiện.
Đáp án:
Do đó, chu kỳ dao động tự nhiên của con lắc là 0,6 giây.
Bài 1.52: Đưa ra ví dụ về dao động cưỡng bức và cộng hưởng trong các thiết bị gia dụng.
Đáp án:
Một số ví dụ về dao động cưỡng bức có thể thấy trong thiết bị gia dụng khi đang hoạt động bao gồm:
- Máy giặt: Trong quá trình hoạt động, máy giặt có thể gặp dao động cưỡng bức do sự cộng hưởng của lực rung từ quá trình quay và dao động của máy.
- Tủ lạnh: Động cơ làm lạnh để duy trì nhiệt độ trong tủ có thể gây ra dao động cưỡng bức, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở tần số ổn định.
- Máy lạnh: Các bộ phận như quạt trong máy lạnh gia đình có thể tạo ra dao động cưỡng bức khi hoạt động.
- ...
Những ví dụ này thường xuyên xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày, là kết quả của sự cộng hưởng giữa các yếu tố dao động trong thiết bị gia dụng.
Bài 1.54: Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống giảm xóc trên xe máy và giải thích tại sao khi xe đi qua những chướng ngại vật, dao động của người lái và xe giảm đáng kể, thậm chí có thể giảm xuống dưới một nửa chu kỳ.
Đáp án:
Hệ thống giảm xóc của xe máy đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì sự ổn định khi di chuyển. Nó bao gồm hai thành phần chính là lò xo và pít-tông. Lò xo nằm giữa khung xe và trục bánh, trong khi pít-tông hoạt động trong một xi lanh chứa dầu. Khi xe máy vượt qua chướng ngại vật, lò xo nén và giãn để tạo lực đàn hồi mạnh mẽ, khiến khung xe dao động lên và xuống. Đồng thời, pít-tông trong xi lanh dầu cũng dao động tương ứng.
Sự tương tác giữa pít-tông và lực ma sát trong dầu giúp giảm dần dao động của pít-tông một cách nhanh chóng. Điều này dẫn đến việc giảm dần dao động của khung xe và hệ thống giảm xóc, thậm chí xuống dưới một nửa chu kỳ trong thời gian ngắn. Sự kết hợp giữa lò xo và pít-tông giúp xe máy vượt qua chướng ngại vật một cách mượt mà và ổn định.
Bài 1.58: Mỗi khi bước đi, người đi bộ mang theo một xô nước với chiều dài mỗi bước là ΔS = 0,4 m. Nước trong xô có chu kỳ dao động riêng là 0,5 s. Để tạo ra sóng mạnh nhất trong xô nước, người này cần di chuyển với tốc độ bao nhiêu?
Hướng dẫn: Áp dụng kiến thức về dao động cưỡng bức để giải quyết vấn đề này.
Dao động cưỡng bức là hiện tượng mà một hệ dao động bị kích thích bởi một lực cưỡng bức với tần số biến đổi theo chu kỳ. Tần số của dao động cưỡng bức luôn bằng tần số của lực cưỡng bức. Đặc điểm nổi bật của dao động cưỡng bức là biên độ của nó gia tăng và đạt cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức trùng với tần số riêng f0 của hệ dao động, tạo ra hiện tượng cộng hưởng. Hiện tượng này dẫn đến một đáp ứng cực đại của hệ dao động và có thể tạo ra những hiệu ứng mạnh mẽ và quan trọng trong nhiều lĩnh vực vật lý và kỹ thuật.
Đáp án:
Sóng nước trong xô đạt cường độ mạnh nhất khi xảy ra cộng hưởng, tức là chu kỳ dao động của nước phải khớp với nhịp bước chân của người đi bộ. Do đó, người đi bộ cần di chuyển với tốc độ là:
Do đó, khi người đi bộ di chuyển với tốc độ 0,8 m/s, nước trong xô sẽ tạo ra sóng mạnh nhất.
