Benjamin Crowell
2.2 Năng lượng tiêu hao trong dao động
Cho đến nay, chúng ta đã và đang đưa ra giả định tương đối không thực tế là một dao động sẽ không bao giờ tắt. Đối với một vật nặng thực tế gắn trên lò xo, thì sẽ có ma sát, và động năng và thế năng của dao động do đó sẽ chuyển hóa dần thành nhiệt. Tương tự, một dây đàn ghita sẽ chuyển hóa dần động năng và thế năng của nó thành âm thanh. Trong tất cả những trường hợp này, kết quả là “nén” đồ thị x – t dạng sin càng lúc càng chặt theo thời gian trôi qua. Ma sát không hẳn có hại trong ngữ cảnh này – một nhạc cụ không hề giải phóng bất kì năng lượng nào của nó sẽ hoàn toàn im lặng! Sự tiêu hao năng lượng trong một dao động gọi là sự tắt dần.
Đa số mọi người thử vẽ đồ thị giống như ở bên phải sẽ có xu hướng rút ngắn dạng đồ thị theo chiều ngang lẫn chiều rộng. Tại sao điều này là sai ?
b/ Ma sát có tác dụng làm nén đồ thị x – t của vật dao động.
Trong đồ thị ở hình b, tôi không biểu diễn điểm nào mà ở đó dao động tắt dần cuối cùng dừng lại hoàn toàn. Điều này có thực tế không ? Có và không. Nếu năng lượng bị mất do ma sát giữa hai bề mặt rắn, thì chúng ta muốn lực ma sát gần như độc lập với vận tốc. Lực ma sát không đổi này đặt ra một giới hạn trên lên khoảng cách toàn phần mà vật dao động có thể đi được mà không phải bổ sung thêm năng lượng của nó, vì công bằng với lực nhân với khoảng cách, và vật phải ngừng thực hiện công khi năng lượng của nó chuyển hóa hết thành nhiệt. (Lực ma sát thực sự đổi chiều khi vật quay lại, nhưng việc đảo hướng chuyển động đồng thời khi chúng ta đảo hướng của lực khiến nhất định rằng vật luôn luôn thực hiện công dương, không phải công âm).
Tuy nhiên, sự tắt dần do một lực ma sát không đổi không phải là khả năng duy nhất, hay thậm chí không phải là khả năng phổ biến nhất. Một con lắc có thể bị tắt dần do ma sát của không khí, nó xấp xỉ tỉ lệ với v2, còn những hệ khác có thể biểu hiện lực ma sát tỉ lệ với v. Hóa ra lực ma sát tỉ lệ với v là trường hợp đơn giản nhất để phân tích về mặt toán học, và dù sao chăng nữa thì mọi sự hiểu biết vật lí quan trọng có thể thu được bằng cách nghiên cứu trường hợp này.
Nếu lực ma sát tỉ lệ với v, thì khi dao động tắt dần, lực ma sát trở nên yếu hơn do tốc độ chậm đi. Hệ còn lại ít năng lượng hơn, cho nên hệ tiêu hao năng lượng ít hơn. Dưới những điều kiện này, dao động về mặt lí thuyết không bao giờ tắt hoàn toàn, và về mặt số học, sự tiêu tán năng lượng từ hệ là theo hàm mũ: hệ tiêu hao một tỉ lệ phần trăm nhất định năng lượng của nó trên mỗi chu kì. Hiện tượng này được gọi là sự suy giảm theo hàm mũ.
Sau đây là một phép chứng minh chặt chẽ. Lực ma sát tỉ lệ với v, và v tỉ lệ với đoạn đường mà vật đi được trong mỗi chu kì, nên lực ma sát tỉ lệ với biên độ. Lượng công do lực ma sát thực hiện tỉ lệ với lực và quãng đường đi được, nên công thực hiện trong một chu kì tỉ lệ với biên độ. Vi công và năng lượng đều tỉ lệ với A2, nên lượng năng lượng do ma sát tiêu tán trong một chu kì là một lượng phần trăm ổn định của năng lượng mà hệ có.
c/ Biên độ giảm một nửa với mỗi chu kì
Hình c biểu diễn một đồ thị x – t cho một dao động tắt dần nhanh, tiêu hao một nửa biên độ của nó theo mỗi chu kì. Hỏi bao nhiêu năng lượng bị tiêu hao trong mỗi chu kì ?
Người ta thường mô tả lượng tắt dần với một đại lượng gọi là hệ số chất lượng, Q, được định nghĩa là số chu kì cần thiết cho năng lượng tiêu hao mất 535 lần. (Nguồn gốc của thừa số mơ hồ này là e2p, trong đó e = 2,71828… là cơ số của logarith tự nhiên. Việc chọn con số đặc biệt này làm cho một số phương trình sau này của chúng ta có dạng đẹp và đơn giản) Thuật ngữ đó phát sinh từ thực tế là ma sát thường bị xem là thứ có hại, nên một dụng cụ cơ có thể dao động trong nhiều dao động trước khi nó tiêu hao một lượng đáng kể năng lượng của nó sẽ được xem là một dụng cụ chất lượng cao.
Ví dụ 3. Suy giảm theo hàm mũ ở kèn trumpet
Dao động của cột không khí trong kèn trumpet có Q vào khoảng 10. Điều này có nghĩa là cả sau khi người chơi trumpet ngừng thổi, nốt sẽ giữ âm trong một thời gian ngắn. Nếu người chơi đột ngột ngừng thổi, hỏi cường độ âm 20 chu kì sau so sánh như thế nào với cường độ âm trong khi cô ta vẫn đang thổi ?
Q của kèn trumpet là 10, nên sau 10 chu kì năng lượng sẽ giảm đi 535 lần. Sau 10 chu kì nữa, chúng ta mất thêm 535 lần năng lượng, nên cường độ âm giảm đi hệ số 535 x 535 = 2,9 x 105 lần.
Sự suy giảm của tiếng nhạc là một phần của cái mang lại đặc trưng của nó, và một nhạc cụ tốt sẽ có Q phù hợp, nhưng Q thường được muốn xem là khác nhau đối với những dụng cụ khác nhau. Cây đàn ghita giữ âm thanh một thời gian dài sau khi dây đàn bị gảy, và có thể có Q là 1000 hoặc 10000. Một trong những lí do tại sao các nhạc cụ điện tử đa năng rẻ tiền quá tệ là vì âm thanh đột ngột tiêu tán mất sau khi một phím được thả ra.
Ví dụ 4. Q của loa stereo
Các loa stereo không được cho là vang hay “rung” sau khi tín hiệu điện ngừng đột ngột. Sau hết thảy, tiếng nhạc được ghi bởi các họa sĩ, những người biết cách định hình sự suy giảm của các nốt của họ một cách chính xác. Thêm một “đuôi” dài hơn vào mỗi note sẽ làm cho nó nghe không đúng. Vì thế, chúng ta muốn loa stereo có Q rất thấp, và thật vậy, đa số các loa stereo được sản suất với Q khoảng chừng 1. (Các loa chất lượng thấp với giá trị Q lớn hơn bị xem là “rền”).
Chúng ta sẽ thấy ở phần sau trong chương này rằng còn có những lí do khác khiến Q của một cái loa phải cao.
Còn tiếp
Xem lại Phần 3
