Quả lắc đồng hồ cổ treo tường có tác dụng vận hành?

1. Quả lắc đồng hồ cổ treo tường có tác dụng vận hành?

Quả lắc của đồng hồ cổ treo tường có tác dụng làm cho đồng hồ chạy đúng giờ. Trong một đồng hồ cơ cổ, quả lắc được gắn vào một cơ cấu gọi là “cơ chấn” hoặc “quả lắc chấn”, và nó được thiết kế để di chuyển theo một chu kỳ nhất định. Khi quả lắc di chuyển, nó tạo ra một lực đẩy nhỏ đủ để giữ cho cơ chấn hoạt động, từ đó duy trì đồng hồ chạy chính xác.

Trong các đồng hồ cơ, quả lắc thường được làm từ kim loại, nhưng trong một số trường hợp, chúng có thể được làm từ các vật liệu khác như gỗ hoặc nhựa. Sự chính xác của đồng hồ cơ phụ thuộc rất nhiều vào hiệu suất của cơ chấn và quả lắc, vì vậy việc bảo trì và điều chỉnh chúng là rất quan trọng để đảm bảo đồng hồ chạy đúng giờ.

* Nguyên lý hoạt động của đồng hồ quả lắc

Năng lượng có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, đây cũng là là nguyên lý mà mỗi chiếc đồng hồ quả lắc trên trái đất. Trong đồng hồ quả lắc khi quả nặng được gắn liền với một chuỗi chuyển động lên xuống đều đặn, tạo ra động năng, cung cấp năng lượng giúp kéo theo sự hoạt động của các bánh răng. Bánh răng thứ nhất được gắn vào quả lắc quay theo hoạt động của quả lắc. Bánh răng thứ 2 được lắp trục điều khiển để các bánh răng giữ thời gian. Các bánh răng được đặt ở những vị trí được tính toán một cách kỹ lưỡng và có kích thước to, nhỏ khác nhau. Sự sắp đặt về vị trí cũng như sự khác nhau về kích thước này nhằm mục đích khi kim giây đi được 1 vòng thì kim phút mới đi được 1/60 vòng hoạt động của nó.

Điều quan trọng của chiếc đồng hồ cây là phải làm sao để quả lắc không ngừng hoạt động, nếu không do ma sát quả lắc sẽ ngừng lại. Các đòn bẩy được thiết kế để khóa và mở khóa, điều chỉnh cho hợp lý chuyển động của bánh răng giúp cho trọng lượng thoát hoặc giảm một lần mỗi giây để cho trọng lực bị triệt tiêu hoặc giảm một lần mỗi giây. Sự khóa và mở khóa này là cơ chế điều chỉnh hoạt động cho bánh răng chuyển động một cách chính xác, cũng chính là lý do mỗi chúng ta nghe thấy tiếng đồng hồ kêu.

2. Giải bài tập 1.59 Quả lắc đồng hồ cổ treo tường có tác dụng vận hành?

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.

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 vận dụng:

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?

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.