1. Quả lắc đồng hồ treo tường có tác dụng gì?
Quả lắc đồng hồ cổ treo tường, thường được gọi là "con lắc đồng hồ" hoặc "con quả tạ đồng hồ", có tác dụng duy trì và cung cấp năng lượng cho đồng hồ cổ treo tường để giữ cho nó chạy đúng giờ. Cơ chế hoạt động của nó liên quan đến sự dao động của quả tạ và chuyển động của bánh răng trong hệ thống đồng hồ. Khi quả tạ được kéo lên và thả xuống, năng lượng được truyền từ quả tạ sang bánh răng thông qua cơ cấu thoát cản, giúp đồng hồ chạy đúng giờ. Quá trình này tạo ra dao động định kỳ, duy trì sự chính xác trong đo đếm thời gian.
Chiều dài của quả lắc không đổi, thì chu kì dao động của quả lắc sẽ luôn là như nhau. Khi quả lắc dao động, nó sẽ truyền năng lượng cho hệ thống bánh răng của đồng hồ, làm cho kim đồng hồ chuyển động. Vì vậy, để đồng hồ chạy đúng giờ, cần phải đảm bảo rằng chu kì dao động của quả lắc là không đổi. Điều này có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh chiều dài của quả lắc. Trong thực tế, do lực cản của không khí và các yếu tố khác, nên chu kì dao động của quả lắc sẽ bị thay đổi theo thời gian. Do đó, cần phải lên dây cót cho đồng hồ định kì để bổ sung năng lượng cho quả lắc. Khi quả lắc dao động, nó sẽ làm cho kim đồng hồ chuyển động một cách mượt mà, không bị giật cục. Điều này là do quả lắc dao động theo một chu kì đều đặn, giúp cho kim đồng hồ chuyển động theo một tốc độ đều đặn.
Ngoài tác dụng chính trên, quả lắc đồng hồ treo tường còn có một số tác dụng khác, chẳng hạn như: Quả lắc đồng hồ treo tường giúp giảm thiểu lực tác động lên các bánh răng của đồng hồ, làm cho đồng hồ bền hơn; Quả lắc đồng hồ treo tường có hình dáng đẹp, mang tính thẩm mỹ cao, giúp cho đồng hồ trở nên sang trọng và ấn tượng hơn....
2. Bài tập 1.59 trang 20 Vật lý
Bài 1.59: Quả lắc của đồng hồ cổ treo tường có tác dụng vận hành cho đồng hồ chạy đúng giờ (Hình 1.22). Cứ sau mỗi chu kì dao động của quả lắc, do sức cản và việc vận hành hệ thống bánh răng để các kim đồng hồ chạy nên nó tiêu hao một năng lượng là ∆E = 0,100 mJ. Năng lượng này được lấy từ một quả tạ có trọng lượng P = 50,0 N treo trong hoặc ngoài đồng hồ.
a) Vì sao sau một thời gian dài đồng hồ chạy thì quả tạ bị hạ thấp xuống và ta lại phải đưa nó lên cao.
b) Nếu chạy trong thời gian t = 10,0 ngày thì quả tạ sẽ giảm độ cao bao nhiêu mét? Biết trong N = 30,0 chu kì dao động của quả lắc thì kim giây chuyển động được một vòng.
*Hướng dẫn giải bài tập:
a) Quả tạ được sử dụng như một nguồn năng lượng được lưu giữ dưới dạng thế năng trọng trường và giảm dần sau mỗi chu kỳ dao động để bù đắp cho mất mát năng lượng trong quá trình dao động và trong hệ thống bánh răng. Điều này dẫn đến việc giảm độ cao của quả tạ theo thời gian.
b) Kim giây của đồng hồ chuyển động 1 vòng mỗi phút, con lắc của đồng hồ thực hiện N = 30 chu kỳ mỗi phút. Để tính tổng số chu kỳ trong 10 ngày, ta nhân số chu kỳ mỗi phút với số phút trong một giờ, số giờ trong một ngày và số ngày:
Tổng số chu kỳ = 30 chu kỳ/phút × 60 phút/giờ × 24 giờ/ngày × 10 ngày = 432.000 chu kỳ
Sau đó, để tính tổng năng lượng tiêu hao trong 10 ngày, sử dụng công thức số chu kỳ năng lượng tiêu hao mỗi chu kỳ E = số chu ỳ x năng lượng tiêu hao mỗi chu kỳ:
E = 432.000 chu kỳ × (0.100 × 10 − 3J) = 43.2 J
Năng lượng này tương đương với sự giảm của thế năng trọng trường của quả tạ. Độ giảm cao của quả tạ được tính bằng cách sử dụng công thức 
, trong đó m là khối lượng của quả tạ, g là gia tốc trọng trường và h là độ cao ban đầu của quả tạ.
Do đó, trong khoảng thời gian 10 ngày, quả tạ giảm độ cao khoảng 0.864 mét.
3. Bài tập luyện tập
Bài 1.50: Một con lắc lò xo treo từ trần toa tàu tại vị trí phía trên trục bánh xe. Khi tàu chạy đều với tốc độ v=20,0 m/s, vật m gắn ở đầu dưới của lò xo bắt đầu thực hiện dao động với biên độ lớn nhất. Chiều dài của mỗi thanh ray trên tàu là m L=12m. Chu kì dao động riêng T0 của con lắc là bao nhiêu?
Hướng dẫn:
Mỗi khi di chuyển qua một thanh ray mới, toa tàu trải qua một chu kỳ dao động, với việc hạ thấp và nâng cao dưới tác động của trọng lực. Quá trình này tạo ra một ngoại lực tác động lên vật m. Thời gian để hoàn thành một chu kỳ, hay đi hết một thanh ray, chính là chu kỳ của ngoại lực tác động lên vật m. Trong điều kiện này, vật m dao động với biên độ lớn nhất, chỉ ra sự xuất hiện của hiện tượng cộng hưởng.
Đáp án:
Chu kỳ dao động riêng của con lắc (ký hiệu là T₀) là:
Vì vậy, chu kỳ dao động riêng của con lắc là 0.6 giây.
Bài 1.52: Nêu ví dụ về dao động cưỡng bức xảy ra cổng hưởng trong những thiết bị đang sử dụng tạo gia đinh.
Đáp án:
Một số ví dụ về hiện tượng dao động cưỡng bức có thể quan sát trong các thiết bị gia đình khi đang hoạt động bao gồm:
- Máy giặt: Trong quá trình vận hành, máy giặt có thể trải qua dao động cưỡng bức do sự cộng hưởng của các lực rung từ quá trình quay và dao động của máy.
- Tủ lạnh: Motor hoạt động để duy trì nhiệt độ bên trong tủ lạnh có thể tạo ra dao động cưỡng bức, đặc biệt khi motor chạy ở tần số cố định.
- Máy lạnh: Quạt và các bộ phận khác trong máy lạnh tại gia đình có thể tạo ra dao động cưỡng bức khi chúng hoạt động.
- ...
Những ví dụ này thường xuyên gặp trong cuộc sống hàng ngày và là kết quả của sự cộng hưởng của các yếu tố dao động trong các thiết bị gia đình.
Bài 1.54: Tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống giảm xóc trên xe máy và giải thích tại sao khi chiếc xe đi qua những cạnh động, dao động của người lái và xe giảm đáng kể, thậm chí đến mức tắt ngấn sau không quá nửa chu kỳ.
Đáp án:
Bộ phận giảm xóc trên xe máy đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự ổn định khi di chuyển. Được cấu tạo chủ yếu từ hai thành phần quan trọng là lò xo và pít - tông. Lò xo nằm giữa khung xe và trục bánh, cùng với pít-tông chuyển động trong xi lanh dầu. Khi xe máy vượt qua những chướng ngại vật, lò xo ngay lập tức trải qua quá trình nén và giãn, tạo ra một lực đàn hồi mạnh mẽ làm dao động khung xe lên và xuống. Trong khi đó, pít-tông bên trong xi lanh dầu cũng trải qua dao động tương ứng.
Sự tương tác giữa pít-tông và lực ma sát trong dầu đẩy dao động của pít-tông tắt dần, một quá trình diễn ra rất nhanh chóng. Điều này dẫn đến hiệu ứng đặc biệt khiến dao động của khung xe và hệ thống giảm xóc tắt dần, thậm chí quá mức trong khoảng thời gian ngắn không quá nửa chu kỳ. Sự kết hợp linh hoạt giữa lò xo và pít-tông chính là bí quyết giúp xe máy vượt qua chướng ngại vật một cách êm dịu và ổn định.
Bài 1.58: Mỗi lần bước đi, người đi bộ mang theo một xô nước với chiều dài mỗi bước là ΔS = 0,4 m. Nước trong xô dao động với chu kỳ riêng là 0,5 s. Để tạo ra sóng sánh mạnh nhất trong xô nước, người này cần di chuyển với một tốc độ là bao nhiêu?
Hướng dẫn: Áp dụng kiến thức về dao động cưỡng bức:
Dao động cưỡng bức là hiện tượng dao động được kích thích bởi một lực cưỡng bức biến thiên tuần hoàn. Tần số của dao động cưỡng bức tương đương với tần số của lực cưỡng bức. Một đặc điểm đáng chú ý của dao động cưỡng bức là biên độ của nó tăng lên và đạt giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức trùng khớp với tần số riêng f0 của hệ dao động. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cộng hưởng, nơi sự tương tác tạo ra một đáp ứng cực đại của hệ dao động. Điều này có thể dẫn đến hiệu ứng mạnh mẽ và đặc biệt quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lý và kỹ thuật.
Đáp án:
Sóng nước trong xô đạt độ mạnh nhất khi sự cộng hưởng xảy ra, với chu kỳ dao động tự nhiên của nước chính bằng với nhịp bước chân của người đi bộ. Vậy người này đi với tốc độ mạnh là:
=>
Vậy, khi người này đi với vận tốc 0,8 m/s thì nước trong xô tạo độ sóng sánh mạnh nhất.
Bạn đọc có thể tham khảo thêm bài viết: Con lắc đơn là gì? Công thức tính chu kì, tần số góc của dao động và bài tập. Mong rằng thông tin trên sẽ cung cấp thông tin hữu ích để quý đọc tham khảo và ôn luyện.
