Hẳn bạn đã từng đẩy xích đu ở sân chơi. Nếu đẩy mạnh vào lúc bất kỳ, xích đu lại giật cục, nhưng nếu đẩy nhẹ đúng lúc xích đu vừa lùi về sau và chuẩn bị tiến về trước, chỉ một lực nhỏ cũng khiến nó lên cao dần. Như vậy, thời điểm đẩy còn quan trọng hơn độ lớn của lực.
Trong vật lý, hiện tượng nhịp dao động tự nhiên của vật trùng khớp với nhịp của lực tác động từ bên ngoài, khiến dao động tăng mạnh như vậy được gọi là “cộng hưởng (Resonance)”. Cộng hưởng giúp khuếch đại âm thanh của nhạc cụ và vận hành thiết bị chẩn đoán trong bệnh viện, nhưng đôi khi cũng khiến những cây cầu vững chắc rung lắc.
Tài liệu này trình bày một cách dễ hiểu cộng hưởng là gì, ý nghĩa của tần số riêng, nguyên lý khiến dao động tăng lên, ứng dụng của cộng hưởng trong đời sống và công nghệ, cùng những tai nạn do cộng hưởng gây ra và cách phòng tránh.
Nguyên lý và ứng dụng của cộng hưởng
Cộng hưởng là gì?
Mỗi vật đều có một nhịp dao động tự nhiên riêng. Khi chạm nhẹ một lần vào quả nặng treo trên dây, quả nặng sẽ tự chuyển động qua lại với nhịp độ đều đặn mà không cần ai quy định. Tần số khi vật tự dao động như vậy được gọi là tần số riêng (Natural Frequency).
Tần số biểu thị số lần vật chuyển động qua lại trong 1 giây, với đơn vị là hertz (Hz). Nếu dao động một lần trong 1 giây thì tần số là 1 Hz, còn dao động mười lần thì là 10 Hz. Tần số riêng được quyết định bởi trọng lượng, độ cứng và hình dạng của vật. Đó cũng là lý do dây đàn guitar ngắn và căng rung nhanh, còn dây dài và chùng rung chậm.
Cộng hưởng xảy ra khi tần số của lực tuần hoàn tác động từ bên ngoài bằng hoặc rất gần tần số riêng này. Khi đó, dù chỉ chịu một lực nhỏ, độ rộng dao động của vật, tức biên độ, cũng tăng lên rõ rệt.
Nguyên lý khiến dao động tăng dần
Bí quyết của cộng hưởng nằm ở cách năng lượng tích lũy. Khi nhịp khớp nhau, lực bên ngoài luôn tác dụng cùng chiều chuyển động của vật, nên mỗi lần đẩy lại bổ sung thêm một chút năng lượng.
(1) Khi nhịp không khớp
Lực có lúc hỗ trợ chuyển động, có lúc lại cản trở chuyển động. Năng lượng được bổ sung và năng lượng bị lấy đi luân phiên nhau, khiến dao động không thể tăng mạnh.
(2) Khi nhịp khớp nhau
Mỗi lần tác dụng, lực đều hỗ trợ chuyển động nên năng lượng tích lũy dần. Dù độ lớn của lực không đổi, dao động vẫn ngày càng lớn.
(3) Vai trò của sự tắt dần
Trong thực tế, vật mất dần năng lượng do lực cản không khí hoặc ma sát. Hiện tượng này được gọi là sự tắt dần (Damping), và mức độ tắt dần càng nhỏ thì dao động khi cộng hưởng càng tăng mạnh.
Vì vậy, vật có mức độ tắt dần gần như bằng không sẽ phản ứng rất mạnh ở tần số cộng hưởng, nhưng chỉ cần lệch khỏi tần số đó một chút, phản ứng sẽ nhanh chóng giảm đi. Ngược lại, vật có mức độ tắt dần lớn sẽ không dao động tăng mạnh ngay cả khi xảy ra cộng hưởng. Điều tương tự cũng xảy ra với âm thanh. Nếu hai âm thoa có cùng tần số riêng, khi làm một âm thoa phát âm, âm thoa còn lại cũng sẽ phát âm theo dù không được chạm vào.
Cộng hưởng trong đời sống và công nghệ
Nhờ khả năng làm tăng dao động, cộng hưởng được ứng dụng hữu ích trong nhiều lĩnh vực.
- Nhạc cụ (Musical Instrument): Thân gỗ của đàn guitar và violin cộng hưởng với dao động của dây đàn, khiến âm thanh nhỏ trở nên lớn và đầy đặn hơn.
- Dò đài radio (Radio Tuning): Radio điều chỉnh tần số cộng hưởng của mạch điện cho khớp với tần số của đài phát thanh mong muốn để chỉ chọn thu tín hiệu đó.
- Chụp cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging): Phương pháp này tạo hình ảnh bên trong cơ thể bằng cách tận dụng đặc tính của hạt nhân hydro trong cơ thể cộng hưởng với sóng vô tuyến có tần số nhất định khi nằm trong từ trường mạnh.
- Lò vi sóng (Microwave Oven): Vi sóng làm các phân tử nước trong thức ăn dao động nhanh để sinh nhiệt. Dù hơi khác với cộng hưởng theo nghĩa chặt chẽ, hiện tượng này thường được giới thiệu cùng vì cũng dùng sóng điện từ để làm các phân tử dao động.
Mảnh thạch anh nhỏ trong đồng hồ cũng tận dụng cộng hưởng. Khi được đặt điện áp, thạch anh dao động với tần số rất ổn định, và nhiều đồng hồ đeo tay đo thời gian dựa trên thạch anh dao động 3 vạn 2,768 lần trong 1 giây. Cảnh ca sĩ dùng giọng cao làm vỡ ly rượu vang cũng xảy ra vì âm thanh khớp với tần số riêng của ly khiến ly rung mạnh.
Tai nạn do cộng hưởng gây ra và cách phòng tránh
Cộng hưởng cũng ảnh hưởng đến những công trình khổng lồ. Năm 1831, tại cầu treo Broughton ở Anh, khi 74 binh sĩ hành quân đều bước, cây cầu rung mạnh theo nhịp chân, cuối cùng một góc cầu sụp xuống sông. May mắn là không có người thiệt mạng, nhưng sau đó quân đội Anh đã ra lệnh không được đi đều bước khi qua cầu.
Cầu Millennium bắc qua sông Thames ở London, khánh thành vào tháng 6 năm 2000, cũng lắc mạnh sang hai bên ngay sau khi mở cửa. Khi cầu hơi rung, rất nhiều người đi bộ vô thức bước theo nhịp rung của cầu để giữ thăng bằng, và lực đó lại làm cầu rung mạnh hơn. Cầu phải đóng cửa chỉ sau hai ngày khai trương, và mãi đến tháng 2 năm 2002 mới mở lại sau khi được lắp các thiết bị giảm chấn để giảm rung lắc.
Để ngăn những sự việc như vậy, khi thiết kế công trình, các kỹ sư tính trước tần số riêng rồi điều chỉnh trọng lượng và độ cứng sao cho nhịp dao động không trùng với bước chân người, gió hoặc rung động của máy móc. Ở các tòa nhà cao tầng, người ta còn lắp bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh, sử dụng một quả nặng khổng lồ dao động ngược chiều với tòa nhà để giảm rung.
Cộng hưởng là bộ khuếch đại của tự nhiên, biến lực nhỏ thành chuyển động lớn. Hiểu được nhịp dao động đó, chúng ta có thể dùng nó để khuếch đại âm thanh và chọn tín hiệu, đồng thời chủ động tránh những dao động nguy hiểm.
Nhận biết được nhịp điệu vô hình chính là bước đầu tiên để biết cách kiểm soát dao động.
