Giải Vật lí 11 trang 31 Chân trời sáng tạo

Giải Vật lí 11 trang 31

Luyện tập trang 31 Vật Lí 11: Tìm hiểu và trình bày hoạt động của bộ giảm chấn khối lượng, là một con lắc được treo trên toà nhà Taipei 101 tại thành phố Đài Bắc, Đài Loan (Hình 4.1).

Lời giải:

Tòa nhà có 101 tầng phía trên mặt đất và 5 tầng hầm được xây dựng sâu vào lòng đất, ngoài có chức năng là tầng hầm thì nó cũng đóng vai trò là nền móng vững chắc nâng đỡ sức nặng của toàn bộ công trình. Nền móng của công trình được gia cố bởi 380 cọc lớn, mỗi chiếc cọc có đường kính 1,5 m đâm sâu đến 80 m xuống lòng đất. Taipei 101 có khả năng chịu được động đất với thiết kế có sự ổn định đặc biệt, được kiểm chứng trong một trận động đất 6,8 độ richter xảy ra trong quá trình thi công tòa tháp vào ngày 31 tháng 3 năm 2002, làm rung chuyển thành phố Đài Bắc.

Có một điểm thiết kế vô cùng thú vị của tòa nhà chính là bộ phận giảm chấn được treo suốt dọc tầng 87 đến tầng 92. Con lắc bằng thép này nặng đến 728 tấn, có chức năng điều chỉnh độ rung lắc của tòa nhà, khi công trình bị tác động với gió mạnh hoặc động đất, con lắc sẽ đu đưa theo chiều ngược lại của hướng rung lắc. Con lắc đặc biệt có dạng hình cầu, cũng là thiết bị giảm chấn dạng hình cầu lớn nhất thế giới tính đến nay.

Vận dụng trang 31 Vật Lí 11: Tìm hiểu và trình bày ngắn gọn phương án kĩ thuật để hạn chế thiệt hại cho các toà nhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng, tại những nơi thường xảy ra động đất như Nhật Bản.

Lời giải:

Động đất luôn là một hiện tượng tự nhiên đáng sợ và nó trở nên nguy hiểm hơn khi các thành phố ngày càng phát triển đi kèm với những rủi ro sụp đổ của các tòa nhà cao tầng.​

Tại sao các tòa nhà lại sụp đổ khi động đất và làm thế nào để ngăn chặn điều này?
Nếu như bạn đã từng xem các bộ phim thảm họa, bạn có thể nghĩ rằng các tòa nhà sụp đổ do nguyên nhân trực tiếp là mặt đất dưới chân chúng rung lắc dữ dội hay thậm chí là tách ra xa nhau. Nhưng đó không thực sự là cách chúng sụp đổ vì hầu hết các tòa nhà không nằm đúng vị trí đứt gãy và sự dịch chuyển các mảng kiến tạo thì xảy ra ở sâu hơn nhiều so với nền móng của các tòa nhà. Trên thực tế, sự ảnh hưởng của động đất đến các tòa nhà phức tạp hơn nhiều.

Vậy điều gì mới là nguyên nhân thực sự khiến các tòa nhà sụp đổ?

Khi mặt đất chuyển động bên dưới tòa nhà, chúng gửi các làn sóng xung kích qua các phần còn lại của cấu trúc và khiến nó rung lắc qua lại. Sức mạnh của sự dao động này phụ thuộc vào 2 yếu tố chính là khối lượng của tòa nhà (tập trung chủ yếu ở phần nóc) và độ chắc chắn của nó (yếu tố chủ yếu của sự dao động). Các tòa nhà thấp thường chắc chắn hơn, trong khi các tòa nhà cao thì mềm dẻo hơn.

Vậy là mọi người nghĩ rằng giải pháp chống sập nhà là xây dựng các tòa nhà thấp hơn để chúng biến dạng ít nhất có thể.

Nhưng trận động đất năm 1985 ở Mexico là ví dụ tốt cho thấy điều đó không hoàn toàn đúng. Trong trận động đất, nhiều tòa nhà từ 6 đến 15 tầng đã bị sụp đổ. Điều lạ là các tòa nhà thấp hơn 6 tầng gần đó vẫn đứng vững và các tòa nhà cao hơn 15 tầng cũng hầu như không bị ảnh hưởng, còn các tòa nhà cỡ trung thì lại rung lắc dữ dội hơn và bị sụp đổ.

Điều đã xảy ra ở Mexico là 1 hiệu ứng gọi là cộng hưởng, khi mà tần số của làn sóng địa chấn động đất xảy ra cùng với tần số tự nhiên của các tòa nhà tầm trung. Giống như sự thúc đẩy cùng nhịp cho xích đu. Mỗi làn sóng địa chấn sẽ khuếch đại thêm sự rung lắc của tòa nhà và ngày càng mạnh hơn cuối cùng đi quá giới hạn mà tòa nhà có thể chịu được gây sụp đổ.

Ngày nay, các kĩ sư làm việc với các nhà địa chất và địa chấn học để dự đoán tần số của động đất tại các vị trí xây dựng để ngăn chặn sự sụp đổ do cộng hưởng, dựa vào các yếu tố như loại đất hay dữ liệu của các trận động đất trước kia. Dao động với tần số thấp sẽ gây nhiều thiệt hại cho các tòa nhà cao hơn và mềm dẻo hơn trong khi dao động với tần số cao sẽ gây nguy hiểm với các cấu trúc thấp và chắc chắn.

Các kĩ sư cũng đã nghĩ ra cách để hấp thụ rung lắc để hạn chế sự biến dạng bằng cách sử dụng công nghệ mới.

- Dựa trên độ linh hoạt để cô lập sự dao động của phần nền so với phần còn lại của tòa nhà.

- Dựa trên sự dao động lệch pha để điều tiết xóa bỏ sự cộng hưởng với tần số tự nhiên để giảm rung lắc.

Bài tập (trang 31)

Bài 1 trang 31 Vật Lí 11: Cho ví dụ về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong thực tiễn.

Lời giải:

Ứng dụng của dao động tắt dần: cánh cửa đóng/ mở tự động; giảm xóc ô tô/xe máy, …

Bài 2 trang 31 Vật Lí 11: Hãy chỉ ra hai trường hợp cộng hưởng có lợi và hai trường hợp cộng hưởng có hại. Trong từng trường hợp hãy chỉ rõ hệ dao động và nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng.

Lời giải:

Trường hợp cộng hưởng có lợi:

- Gảy dây đàn ghita, khi dây đàn dao động, nhờ có hộp cộng hưởng mà ta có thể nghe thấy âm thanh to, rõ hơn. Hệ dao động ở đây là dây đàn và sóng âm trong hộp cộng hưởng, khi dây đàn dao động, làm cho không khí xung quanh dao động tạo ra sóng âm, sóng âm này dao động trong hộp cộng hưởng, biên độ sóng âm tăng lên.

- Máy thu sóng điện từ như radio, tivi sử dụng hiện tượng cộng hưởng để chọn thu và khuếch đại các sóng điện từ có tần số thích hợp. Hệ dao động là dòng điện. nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là do thay đổi tần số của nguồn cưỡng bức bằng với nguồn điện.

Trường hợp cộng hưởng có hại:

- Một động cơ điện đặt trên một tấm ván, nếu tần số quay của động cơ gần bằng tần số riêng của tấm ván thì ván có thể rung rất mạnh.

- Năm 1906, một trung đội bộ binh (36 người) đi qua cây cầu bắc qua sông Phô – tan – ka ở Xanh – pê – téc – bua (Nga), khi đi đều qua cầu thì cầu bị gãy. Nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là do tần số đi đều của những người lính gần bằng với tần số dao động riêng của cầu dẫn đến hiện tượng cộng hưởng.

Bài 3 trang 31 Vật Lí 11: Máy đo địa chấn được sử dụng để phát hiện và đo đạc những rung động địa chấn được tạo ra bởi sự dịch chuyển của lớp vỏ Trái Đất. Năng lượng từ các cơn địa chấn có khả năng kích thích con lắc lò xo bên trong máy đo làm đầu bút di chuyển để vẽ lên giấy (Hình 4P.1).

a) Dao động của con lắc lò xo trong máy đo địa chấn khi cơn địa chấn xuất hiện là loại dao động gì? Giải thích.

b) Tần số của những cơn địa chấn thường nằm trong khoảng 30 Hz – 40 Hz. Để kết quả ghi nhận là tốt nhất, hệ con lắc lò xo trong máy đo địa chấn cần được thiết kế để có tần số dao động riêng trong khoảng nào? Giải thích.

Lời giải:

a) Dao động của con lắc lò xo trong máy đo địa chấn khi cơn địa chấn xuất hiện là loại dao động cưỡng bức. Khi xảy ra động đất, con lắc lò xo chịu tác dụng của ngoại lực cưỡng bức, nó sẽ dao động với tần số bằng tần số của lực cưỡng bức, khi đó máy sẽ đo được mức độ của trận động đất.

b) Để kết quả ghi nhận là tốt nhất, hệ con lắc lò xo trong máy đo địa chấn cần được thiết kế để có tần số dao động riêng nhỏ hơn rất nhiều so với tần số của địa chấn. Vì tần số riêng của hệ càng gần tần số của địa chấn thì sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng, khi đó biên độ dao động của con lắc lò xo sẽ rất lớn quá giới hạn của máy có thể cho kết quả đo không chính xác hoặc làm hỏng máy đo.

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí 11 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác: 

Giải Vật lí 11 trang 26

Giải Vật lí 11 trang 27

Giải Vật lí 11 trang 28

Giải Vật lí 11 trang 29

Giải Vật lí 11 trang 30

Giải Vật lí 11 trang 31