Trong cuộc sống hàng ngày, một người liên tục gặp các biểu hiện của chuyển động dao động. Đây là dao động của con lắc trong đồng hồ, dao động của lò xo ô tô và toàn bộ ô tô. Ngay cả một trận động đất cũng không là gì khác ngoài những rung động của vỏ trái đất. Các tòa nhà cao tầng cũng lắc lư vì gió giật mạnh. Hãy thử tìm hiểu vật lý giải thích hiện tượng này như thế nào.
Con lắc như một hệ dao động
Ví dụ rõ ràng nhất về chuyển động dao động là quả lắc đồng hồ treo tường. Quãng đường đi của con lắc từ điểm cao nhất bên trái đến điểm cao nhất bên phải được gọi là dao động toàn phần của nó. Chu kỳ của một dao động hoàn chỉnh như vậy được gọi là chu vi. Tần số dao động là số dao động trong một giây.
Để nghiên cứu dao động, một con lắc chỉ đơn giản được sử dụng, được thực hiện bằng cách treo một quả cầu kim loại nhỏ trên một sợi chỉ. Nếu chúng ta tưởng tượng rằng quả bóng là một điểm vật chất, và sợi chỉ không có khối lượng tuyệt đốimềm dẻo và thiếu ma sát, bạn sẽ có một con lắc lý thuyết, cái gọi là toán học.
Chu kỳ dao động của một con lắc "lý tưởng" như vậy có thể được tính bằng công thức:
T=2π √ l / g, trong đó l là chiều dài của con lắc, g là gia tốc rơi tự do.
Công thức cho thấy chu kỳ dao động của con lắc không phụ thuộc vào khối lượng của nó và không tính đến góc lệch so với vị trí cân bằng.
Chuyển hóa năng lượng
Cơ chế chuyển động của con lắc lặp đi lặp lại với một chu kỳ nhất định thậm chí đến vô cùng, nếu không có lực ma sát và lực cản, để vượt qua một công nào đó cần phải có một công việc nào?
Con lắc bắt đầu dao động do năng lượng truyền vào nó. Tại thời điểm đưa con lắc ra khỏi vị trí thẳng đứng, ta truyền cho nó một thế năng nhất định. Khi con lắc đi từ đỉnh về vị trí ban đầu thì thế năng chuyển thành động năng. Trong trường hợp này, tốc độ của con lắc sẽ trở nên lớn nhất, vì lực truyền gia tốc giảm. Do ở vị trí ban đầu vận tốc của con lắc là lớn nhất nên nó không dừng lại mà theo quán tính chuyển động xa hơn theo cung tròn đến đúng độ cao của con lắc từ đó đi xuống. Đây là cách năng lượng được chuyển đổi trong quá trình chuyển động dao động từ thế năng thành động năng.
Chiều cao của con lắc bằng chiều cao của hạ thấp. Galileo đã đưa ra kết luận này trong khi tiến hành một thí nghiệm với một con lắc, sau này được đặt theo tên của ông.
Sự dao động của con lắc là một ví dụ không thể chối cãi về định luật bảo toàn cơ năng. Và chúng được gọi là dao động điều hòa.
Sóng sin và pha
Thế nào là chuyển động dao động điều hòa. Để xem nguyên lý của chuyển động như vậy, bạn có thể tiến hành thí nghiệm sau. Chúng tôi treo một cái phễu bằng cát trên xà ngang. Dưới đó, chúng tôi đặt một tờ giấy, có thể được dịch chuyển vuông góc với các dao động của phễu. Sau khi thiết lập phễu chuyển động, chúng tôi chuyển tờ giấy.
Kết quả là một đường lượn sóng được viết bằng cát - một hình sin. Những dao động này, xảy ra theo quy luật sin, được gọi là hình sin hoặc dao động điều hòa. Với những dao động như vậy, bất kỳ đại lượng nào đặc trưng cho chuyển động sẽ thay đổi theo quy luật sin hoặc côsin.
Sau khi xem xét hình sin được tạo thành trên bìa cứng, có thể nhận thấy rằng cát là một lớp cát ở nhiều phần khác nhau với độ dày khác nhau: ở phần trên cùng hoặc phần đáy của hình sin, nó được chất thành đống dày đặc nhất. Điều này cho thấy rằng tại những điểm này, tốc độ của con lắc là nhỏ nhất, hay đúng hơn là bằng không, tại những điểm mà con lắc đảo ngược chuyển động của nó.
Khái niệm về pha đóng một vai trò rất lớn trong việc nghiên cứu dao động. Dịch sang tiếng Nga, từ này có nghĩa là "biểu hiện". Trong vật lý, pha là một giai đoạn cụ thể của một quá trình tuần hoàn, tức là vị trí trên hình sin nơi con lắc hiện đang đặt.
Sự thèm muốn về sự lỏng lẻo
Nếu hệ dao động cho chuyển động rồi dừng lạiảnh hưởng của bất kỳ lực và năng lượng nào, thì dao động của một hệ như vậy sẽ được gọi là tự do. Dao động của con lắc trái với chính nó sẽ tắt dần, biên độ giảm dần. Chuyển động của con lắc không chỉ thay đổi (nhanh hơn ở phía dưới và chậm hơn ở phía trên), mà còn không biến đổi đều.
Trong dao động điều hòa, lực tạo ra gia tốc cho con lắc trở nên yếu hơn khi lệch một lượng so với điểm cân bằng. Giữa lực và khoảng cách lệch có quan hệ tỉ lệ thuận. Do đó, những dao động như vậy được gọi là dao động điều hòa, trong đó góc lệch khỏi điểm cân bằng không vượt quá 10 độ.
Chuyển động cưỡng bức và cộng hưởng
Để ứng dụng thực tế trong kỹ thuật, các dao động không được phép phân rã, truyền ngoại lực vào hệ dao động. Nếu chuyển động dao động xảy ra dưới tác dụng bên ngoài thì gọi là cưỡng bức. Dao động cưỡng bức xảy ra với tần số mà tác động bên ngoài thiết lập chúng. Tần số của ngoại lực tác dụng có thể trùng hoặc không trùng với tần số dao động tự nhiên của con lắc. Khi trùng hợp, biên độ dao động tăng dần. Một ví dụ về sự gia tăng như vậy là một cú xoay người bay cao hơn nếu trong quá trình di chuyển, bạn cho họ gia tốc, đánh đúng nhịp chuyển động của họ.
Hiện tượng này trong vật lý được gọi là cộng hưởng và có tầm quan trọng lớn đối với các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khi điều chỉnh một máy thu thanh theo làn sóng mong muốn, nó sẽ được cộng hưởng với đài phát thanh tương ứng. Hiện tượng cộng hưởng cũng có những hậu quả tiêu cực,dẫn đến phá hủy các tòa nhà và cầu.
Hệ thống tự túc
Bên cạnh dao động cưỡng bức và dao động tự do còn có dao động tự lực. Chúng xảy ra với tần số của chính hệ dao động khi tiếp xúc với một lực không đổi chứ không phải một lực thay đổi. Một ví dụ về hiện tượng tự dao động là đồng hồ, chuyển động của con lắc trong đó được cung cấp và duy trì bằng cách tháo lò xo hoặc hạ tải. Khi chơi violin, các dao động tự nhiên của dây đồng thời với lực phát sinh từ ảnh hưởng của cung và xuất hiện âm thanh của một âm nhất định.
Các hệ thống dao động rất đa dạng và việc nghiên cứu các quá trình xảy ra trong chúng trong các thí nghiệm thực tế rất thú vị và nhiều thông tin. Ứng dụng thực tế của chuyển động dao động trong cuộc sống hàng ngày, khoa học và công nghệ là rất đa dạng và không thể thiếu: từ chuyển động dao động đến sản xuất động cơ tên lửa.
