Trong vật lý học, dao động là một trong những hiện tượng quen thuộc nhất trong đời sống. Từ chuyển động của con lắc đồng hồ, âm thanh của dây đàn cho đến sự rung của các phân tử, mọi thứ đều thể hiện tính dao động. Tuy nhiên, khi xuất hiện lực cản hay ma sát, dao động không còn duy trì mãi mãi – đó là dao động bị cản trở, hay còn gọi là dao động tắt dần.
Câu hỏi “Đại lượng nào liên tục giảm trong dao động bị cản trở?” là một dạng bài vừa lý thú vừa giúp hiểu sâu hơn bản chất vật lý của hiện tượng này.
Hiểu đúng về dao động bị cản trở
Dao động bị cản trở là hiện tượng mà biên độ dao động của vật giảm dần theo thời gian do tác động của lực cản (ma sát, sức cản không khí, nội ma sát trong vật liệu, v.v.).
Khi vật dao động, năng lượng ban đầu được truyền dần ra môi trường dưới dạng nhiệt năng. Hậu quả là, vật dao động ngày càng yếu đi và cuối cùng dừng lại ở vị trí cân bằng.
Một ví dụ dễ hiểu là con lắc đơn. Khi bạn kéo con lắc ra rồi thả, nó dao động qua lại nhiều lần nhưng biên độ nhỏ dần cho đến khi ngừng hẳn.
Đại lượng nào liên tục giảm trong dao động bị cản trở?
Trong dao động tắt dần, cơ năng của hệ dao động chính là đại lượng liên tục giảm theo thời gian.
Cơ năng là tổng của động năng và thế năng của vật dao động. Ở dao động điều hòa lý tưởng (không có ma sát), cơ năng được bảo toàn. Nhưng khi có lực cản, một phần cơ năng bị mất đi mỗi chu kỳ, chuyển thành nhiệt năng.
Vì vậy, càng về sau, năng lượng của vật càng nhỏ dần, dẫn đến biên độ dao động giảm dần. Khi cơ năng giảm đến 0, vật dừng lại ở vị trí cân bằng.
Tóm lại: Cơ năng là đại lượng liên tục giảm trong dao động bị cản trở.
Giải thích chi tiết bằng công thức
Cơ năng của vật dao động điều hòa được tính bằng công thức:
W=12kA2W = \frac{1}{2}kA^2
Trong đó:
-
WW: Cơ năng của vật dao động
-
kk: Độ cứng của lò xo (nếu là con lắc lò xo)
-
AA: Biên độ dao động
Khi có lực cản, một phần năng lượng cơ học biến thành nhiệt năng QQ. Sau mỗi chu kỳ, năng lượng còn lại nhỏ hơn trước một lượng ΔW\Delta W, ta có:
Wn+1=Wn−ΔWW_{n+1} = W_n – \Delta W
Do ΔW>0\Delta W > 0, nên cơ năng giảm dần sau từng chu kỳ — điều đó giải thích vì sao vật dần dừng lại hoàn toàn.
Xem thêm: Dao động tắt dần: Nhận định sai nào đang ‘lừa’ bạn về biên độ giảm dần?
Tác động của lực cản đến dao động
Mức độ cản trở của môi trường quyết định tốc độ tắt dần của dao động:
-
Dao động tắt dần yếu: Khi lực cản nhỏ, biên độ giảm chậm, vật vẫn dao động trong một khoảng thời gian dài (ví dụ con lắc đồng hồ trong không khí).
-
Dao động tắt dần mạnh: Khi lực cản lớn, dao động nhanh chóng dừng lại (ví dụ con lắc chuyển động trong dầu).
-
Dao động tắt hẳn: Khi lực cản cực lớn, vật gần như không thể dao động.
Ứng dụng của dao động bị cản trở trong thực tế
Hiện tượng này không chỉ mang tính lý thuyết mà còn được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống.
-
Giảm xóc xe hơi: Hệ thống phuộc nhún hoạt động dựa trên nguyên tắc dao động tắt dần để giảm rung lắc khi xe di chuyển.
-
Cầu treo và tòa nhà cao tầng: Thiết kế cấu trúc dao động tắt dần giúp các công trình ổn định, tránh bị cộng hưởng khi gặp gió mạnh hoặc động đất.
-
Đồng hồ cơ học: Bộ phận dao động cần duy trì tắt dần yếu để kim đồng hồ chuyển động đều đặn.
-
Thiết bị điện tử: Một số mạch dao động có điện trở đóng vai trò cản để ổn định tín hiệu.
Một số câu hỏi mở rộng liên quan
Khi không có lực cản, cơ năng có giảm không?
Không. Khi không có lực cản, cơ năng được bảo toàn và dao động gọi là dao động điều hòa lý tưởng.
Có thể duy trì dao động không bị tắt dần không?
Có thể, nếu liên tục cung cấp năng lượng bù lại phần bị mất. Ví dụ như dao động của dây đàn được kích thích bởi âm thanh, hay con lắc điện từ trong đồng hồ.
Tần số có thay đổi khi cơ năng giảm không?
Trong dao động tắt dần yếu, tần số gần như không đổi. Nhưng nếu lực cản lớn, tần số có thể giảm nhẹ do ảnh hưởng của lực cản.
Kết luận
Dao động bị cản trở là một minh chứng thực tế cho thấy mọi hệ dao động đều chịu ảnh hưởng của môi trường. Dù là dao động cơ học, điện từ hay âm thanh, khi có ma sát hoặc lực cản, năng lượng của chúng đều mất dần theo thời gian.
Đại lượng liên tục giảm trong dao động bị cản trở chính là cơ năng của hệ dao động, vì nó dần chuyển hóa thành nhiệt năng do ma sát hoặc cản trở môi trường.
Việc hiểu rõ hiện tượng này giúp ta giải thích và ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, công nghiệp, xây dựng và khoa học vật lý hiện đại.
