Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của con lắc đơn

Con lắc đơn, một hiện tượng vật lý cổ điển, mở ra cái nhìn sâu sắc về định luật dao động và trọng lực. Đơn giản trong thiết kế nhưng sâu sắc trong bản chất, con lắc đơn là chủ đề khám phá không chỉ trong giáo dục mà còn trong nghiên cứu khoa học. Hãy cùng tìm hiểu về sức mạnh ẩn chứa sau sự đơn giản này.

Khái niệm con lắc đơn

Con lắc đơn là một hệ thống gồm một vật nhỏ có khối lượng m được treo vào đầu một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, có chiều dài l, đầu còn lại của sợi dây được treo vào một điểm cố định.

Hình dạng: Con lắc đơn có hình dạng như một quả cầu nhỏ treo vào một sợi dây.

Cấu tạo:

• Vật nặng: Là một vật nhỏ có khối lượng m, thường được làm bằng kim loại hoặc nhựa.
• Sợi dây: Là một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, có chiều dài l.
• Điểm treo: Là điểm cố định mà sợi dây được treo vào.

Tổng hợp các công thức về con lắc đơn

Phương trình dao động 

Công thức: s = Acos(ωt + φ)

Giải thích các ký hiệu:

• s: Li độ của con lắc đơn tại thời điểm t (tính bằng mét, m).
• A: Biên độ dao động của con lắc đơn (tính bằng mét, m).
• ω: Tần số góc của con lắc đơn (tính bằng radian trên giây, rad/s).
• t: Thời điểm dao động (tính bằng giây, s).
• φ: Pha ban đầu của dao động (tính bằng radian, rad).

Phương trình vận tốc – gia tốc 

Vận tốc

Công thức: v = -ωAsin(ωt + φ)

Giải thích các ký hiệu:

• v: Vận tốc của con lắc đơn tại thời điểm t (tính bằng mét trên giây, m/s).
• ω: Tần số góc của con lắc đơn (tính bằng radian trên giây, rad/s).
• A: Biên độ dao động của con lắc đơn (tính bằng mét, m).
• t: Thời điểm dao động (tính bằng giây, s).
• φ: Pha ban đầu của dao động (tính bằng radian, rad).

Gia tốc

Công thức: a = -ω^2Acos(ωt + φ)

Giải thích các ký hiệu:

• a: Gia tốc của con lắc đơn tại thời điểm t (tính bằng mét trên giây vuông, m/s²).
• ω: Tần số góc của con lắc đơn (tính bằng radian trên giây, rad/s).
• A: Biên độ dao động của con lắc đơn (tính bằng mét, m).
• t: Thời điểm dao động (tính bằng giây, s).
• φ: Pha ban đầu của dao động (tính bằng radian, rad).

Công thức vận tốc và lực căng 

Vận tốc 

Công thức: v = ±ω√(A² – s²)

Giải thích các ký hiệu:

• v: Vận tốc của con lắc đơn tại một vị trí bất kỳ (tính bằng mét trên giây, m/s).
• ω: Tần số góc của con lắc đơn (tính bằng radian trên giây, rad/s).
• A: Biên độ dao động của con lắc đơn (tính bằng mét, m).
• s: Li độ của con lắc đơn tại một vị trí bất kỳ (tính bằng mét, m).

Dấu +: Khi con lắc đi từ vị trí cân bằng đến vị trí có li độ s.

Dấu -: Khi con lắc đi từ vị trí có li độ s đến vị trí cân bằng.

Lực căng dây 

Công thức: T = mg(3cos²α – 2cosα₀)

Giải thích các ký hiệu:

• T: Lực căng dây tại một vị trí bất kỳ (tính bằng Newton, N).
• m: Khối lượng của vật nặng (tính bằng kilôgam, kg).
• g: Gia tốc trọng trường tại nơi con lắc dao động (tính bằng mét trên giây vuông, m/s²).
• α: Góc lệch của con lắc đơn so với vị trí cân bằng tại một vị trí bất kỳ (tính bằng radian, rad).
• α₀: Góc lệch cực đại của con lắc đơn so với vị trí cân bằng (tính bằng radian, rad).

Chu kỳ, tần số và tần số góc của con lắc đơn

Chu kỳ

Công thức: T = 2π√(l/g)

Giải thích các ký hiệu:

• T: Chu kỳ dao động của con lắc đơn (tính bằng giây, s).
• g: Gia tốc trọng trường tại nơi con lắc dao động (tính bằng mét trên giây vuông, m/s²).
• l: Chiều dài dây treo con lắc (tính bằng mét, m).

Tần số

Công thức: f = 1/T = √(g/l)/(2π)

Giải thích các ký hiệu:

• f: Tần số dao động của con lắc đơn (tính bằng Hertz, Hz).
• T: Chu kỳ dao động của con lắc đơn (tính bằng giây, s).
• g: Gia tốc trọng trường tại nơi con lắc dao động (tính bằng mét trên giây vuông, m/s²).
• l: Chiều dài dây treo con lắc (tính bằng mét, m).

Tần số góc

Công thức: ω = √(g/l)

Giải thích các ký hiệu:

• ω: Tần số góc của con lắc đơn (tính bằng radian trên giây, rad/s).
• g: Gia tốc trọng trường tại nơi con lắc dao động (tính bằng mét trên giây vuông, m/s²).
• l: Chiều dài dây treo con lắc (tính bằng mét, m).

Công thức năng lượng của con lắc đơn

Năng lượng

Công thức: W = Wđ + Wt = 1/2mv² + mgh

Giải thích các ký hiệu:

• W: Năng lượng của con lắc đơn tại một vị trí bất kỳ (tính bằng Joule, J).
• Wđ: Động năng của con lắc đơn tại một vị trí bất kỳ (tính bằng Joule, J).
• Wt: Thế năng của con lắc đơn tại một vị trí bất kỳ (tính bằng Joule, J).
• m: Khối lượng của vật nặng (tính bằng kilôgam, kg).
• v: Vận tốc của con lắc đơn tại một vị trí bất kỳ (tính bằng mét trên giây, m/s).
• g: Gia tốc trọng trường tại nơi con lắc dao động (tính bằng mét trên giây vuông, m/s²).
• h: Độ cao của vật nặng so với vị trí cân bằng (tính bằng mét, m).

Ứng dụng của con lắc đơn

Con lắc đơn là một hệ thống đơn giản nhưng có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tiễn và khoa học. Dưới đây là một số ứng dụng chính của nó:

• Đo thời gian: Con lắc đơn được sử dụng để chế tạo đồng hồ quả lắc.
• Xác định gia tốc trọng trường: Con lắc đơn được sử dụng để xác định gia tốc trọng trường tại một địa điểm.
• Cảm biến: Con lắc đơn được sử dụng để chế tạo các cảm biến đo độ nghiêng, độ rung,…

Bài tập minh hoạ

Bài tập 1: Một con lắc đơn có chiều dài dây treo l = 1m, dao động tại nơi có gia tốc trọng trường g = 10m/s². Biết con lắc dao động với biên độ góc α0 = 30°.

a, Tính chu kì dao động của con lắc đơn.

b, Tính vận tốc của con lắc đơn tại vị trí có li độ s = 0,05m.

c, Tính lực căng dây tại vị trí có li độ s = 0,05m.

Lời giải:

a, Dựa vào công thức: T = 2π√(l/g)

=> T = 2π√(l/g) = 2π√(1/10) ≈ 0,628s

b, Dựa vào công thức: v = ±ω√(A² – s²)

=> v = ±ω√(A² – s²) = ±10√(0,1² – 0,05²) ≈ ±0,173m/s

c, Dựa vào công thức: T = mg(3cos²α – 2cosα₀)

=> α = arccos(s/A) = arccos(0,05/0,1) ≈ 0,5236 rad

T = mg(3cos²α – 2cosα₀) = 0,1 * 10 * (3cos²0,5236 – 2cos0,1) ≈ 9,26N

Bài tập 2: Một con lắc đơn có chiều dài dây treo l = 0,8m, dao động tại nơi có gia tốc trọng trường g = 9,8m/s². Biết con lắc được thả nhẹ từ vị trí có góc lệch cực đại α0 = 45°.

a, Tính tốc độ của con lắc đơn khi đi qua vị trí cân bằng.

b, Tính độ cao của vật nặng so với vị trí cân bằng khi con lắc có vận tốc v = 0,5m/s.

Lời giải:

a, Vận tốc

ω = √(g/l) = √(9,8/0,8) ≈ 3,53rad/s

v = ωA = 3,53 * 0,8 * sin(45°) ≈ 2m/s

b, Độ cao

W = K + U

W = const

⇒ K + U = const

⇒ 1/2mv² + mgh = const

⇒ 1/2mv² + mgh₀ = 1/2mv₁² + mgh₁

⇒ h₁ = h₀ – v₁²/2g

⇒ h₁ = 0,8 – 0,5²/2 * 9,8 ≈ 0,71m

Bài tập 3: Một con lắc đơn có chiều dài dây treo l = 1m, dao động tại nơi có gia tốc trọng trường g = 10m/s². Biết con lắc chịu tác dụng của lực cản không khí có độ lớn F = 0,01N.

a, Tính năng lượng của con lắc đơn khi dao động với biên độ góc α0 = 30°.

b, Tính biên độ góc của con lắc đơn sau 10 chu kỳ dao động.

Lời giải:

a, Năng lượng

W = Wđ + Wt = 1/2mv² + mgh

W = 1/2mω²A² + mgh₀

W = 1/2 * 0,1 * (10 * 0,1)² + 0,1 * 10 * 0,1 * cos(30°) ≈ 0,015J

b, Biên độ góc

A = A₀e^(-bt/2m)

b = F/mg = 0,01/(0,1 * 10) = 0,001

A = 0,1 * exp(-0,001 * 10 * 10/(2 * 0,1)) ≈ 0,095rad

Qua con lắc đơn, chúng ta thấy rằng từ những nguyên tắc vật lý cơ bản nhất, sự đơn giản có thể mở ra những hiểu biết sâu sắc về thế giới xung quanh. Con lắc đơn không chỉ là một công cụ giáo dục mà còn là cảm hứng cho nghiên cứu khoa học, chứng tỏ rằng vẻ đẹp của vật lý nằm ở sự đơn giản và sức mạnh của sự tò mò.