Cộng hưởng là hiện tượng một vật dao động ngày càng mạnh khi được tác động lặp lại đúng theo nhịp dao động riêng của nó. Mỗi cú đẩy nhỏ đến đúng lúc cộng thêm vào dao động sẵn có, nên dao động lớn dần lên, giống như chiếc xích đu được đẩy đúng lúc nó vừa lùi về điểm cao nhất. Cộng hưởng giúp cây đàn ngân vang, nhưng cũng có thể làm máy móc, nhà cửa rung lắc nguy hiểm.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Đứa trẻ nào trên xích đu cũng biết cách tự đu cao mà chẳng cần học vật lý. Hôm nay mình biến cái kinh nghiệm đó thành một ý tưởng lớn, rồi đi theo nó tới chiếc ly thuỷ tinh, cây đàn và những cây cầu từng rung lắc trước mắt hàng nghìn người.
Mỗi vật đều có nhịp dao động riêng
Kéo chiếc xích đu ra rồi thả, nó đu qua đu lại với một nhịp nhất định. Nhịp đó phụ thuộc chủ yếu vào chiều dài dây xích, gần như không phụ thuộc người ngồi nặng hay nhẹ. Dây dài thì đu chậm, dây ngắn thì đu nhanh.
Mọi vật có thể dao động đều có những nhịp riêng như vậy, gọi là tần số riêng: dây đàn, mặt trống, chiếc ly, thanh thước kẻ chìa ra mép bàn, cả một toà nhà hay cây cầu. Gõ vào chúng, chúng rung theo tần số riêng.
Tần số riêng do khối lượng và độ cứng của vật quyết định. Vật càng cứng và nhẹ thì rung càng nhanh. Lên dây đàn căng hơn, tức tăng độ cứng, nốt cao hơn. Đổ thêm nước vào ly rồi gõ, tức tăng khối lượng rung, tiếng trầm đi.
Khi bạn tác động vào vật bằng một nhịp bất kỳ, nó rung theo nhịp của bạn nhưng không mạnh. Chỉ khi nhịp của bạn trùng với nhịp riêng của nó, chuyện thú vị mới xảy ra.
Đẩy xích đu đúng nhịp: cộng hưởng trong sân chơi
Người bố đẩy xích đu không cần đẩy mạnh. Anh chỉ đẩy nhẹ đúng lúc xích đu vừa lùi về điểm cao nhất và bắt đầu đi tới. Mỗi lần đẩy thêm một chút năng lượng, đúng chiều chuyển động, và xích đu bay cao dần.
Nếu anh đẩy sai nhịp, có lúc đẩy khi xích đu đang lao ngược về phía mình, thì cú đẩy đó lại hãm bớt dao động. Đẩy lung tung, xích đu chẳng lên cao được bao nhiêu dù tốn sức.
Đứa trẻ tự đu cũng làm đúng điều này bằng cách co duỗi chân và ngả người theo nhịp. Nó không biết chữ cộng hưởng, nhưng cơ thể nó đã tìm ra tần số riêng của chiếc xích đu.
Đó là bản chất của cộng hưởng: năng lượng nhỏ, đưa vào đúng nhịp, tích luỹ thành dao động lớn. Không cần lực mạnh, chỉ cần đúng lúc.
Ly vỡ vì giọng hát, đàn ngân vì thùng gỗ
Gõ nhẹ vào một chiếc ly pha lê mỏng, nó ngân lên một nốt trong trẻo. Đó là tần số riêng của nó. Nếu phát ra một âm thanh đúng nốt đó, đủ to và giữ đủ lâu, chiếc ly rung mỗi lúc một mạnh, và có thể nứt vỡ. Điều này đã được trình diễn trong các thí nghiệm có loa công suất lớn, không phải chuyện dễ làm bằng giọng thường.
Cộng hưởng còn là lý do cây đàn guitar hay đàn tranh có thùng gỗ. Dây đàn tự nó rất mảnh, đẩy không khí được rất ít nên tiếng nhỏ. Rung động của dây truyền qua ngựa đàn vào mặt gỗ và khối khí trong thùng, chúng cộng hưởng theo, đẩy được nhiều không khí hơn, tiếng to và ấm lên.
Tiếng ù ù khi thổi ngang miệng chai rỗng cũng là cộng hưởng của cột không khí trong chai. Đổ thêm nước, cột khí ngắn lại, tiếng cao lên. Bộ chai nước xếp hàng có thể chơi thành một bản nhạc.
Máy chụp cộng hưởng từ trong bệnh viện dùng một kiểu cộng hưởng khác, ở cấp độ các hạt nhân nguyên tử trong cơ thể, nhưng ý tưởng vẫn là: tác động đúng tần số thì vật đáp lại mạnh nhất.
Những cây cầu rung lắc: khi cộng hưởng trở thành mối nguy
Ở nhiều đội quân có một lời dặn lâu đời: khi đi qua cầu, lính không bước đều theo nhịp. Một cây cầu treo ở Anh vào thế kỷ mười chín được ghi nhận đã sập khi một đoàn lính bước đều qua. Bước chân đồng loạt có thể trùng với nhịp riêng của cây cầu và đẩy nó rung mạnh.
Năm hai nghìn, một cây cầu đi bộ mới khánh thành ở London rung lắc ngang ngay ngày đầu khi hàng nghìn người đi qua. Điều thú vị là người đi bộ vô thức bước theo nhịp lắc của cầu để giữ thăng bằng, càng làm cầu lắc mạnh hơn. Cầu phải đóng cửa để lắp thêm bộ giảm chấn.
Vụ sập cây cầu Tacoma Narrows ở Mỹ năm một nghìn chín trăm bốn mươi thường được dẫn làm ví dụ về cộng hưởng. Thật ra các kỹ sư ngày nay giải thích nó phức tạp hơn: gió và chuyển động của mặt cầu tác động qua lại, tự nuôi dao động. Nó gần với cộng hưởng nhưng không phải chỉ là cộng hưởng đơn giản.
Từ những bài học đó, các công trình hiện đại đều được tính toán tần số riêng và lắp bộ giảm chấn khi cần. Nhiều toà nhà chọc trời có những khối nặng treo hoặc đặt trên đỉnh để chống rung do gió và động đất.
Cộng hưởng trong nhà bạn
Chiếc xe máy cũ thường rung bần bật ở một tốc độ nhất định, chạy nhanh hơn hay chậm hơn lại êm. Đó là lúc nhịp rung của động cơ trùng với tần số riêng của khung xe hay một bộ phận như gương, dè xe. Siết lại ốc, thêm đệm cao su thường làm hết.
Máy giặt rung lắc dữ dội lúc bắt đầu vắt rồi êm dần khi quay nhanh hơn. Lồng giặt tăng tốc đi qua vùng tần số cộng hưởng của cả cỗ máy trên sàn. Đặt máy cân bằng và chia đều quần áo giúp giảm rung.
Cửa kính rung lên khi xe tải chạy qua, nắp nồi rung khi nước sôi, tiếng ù ù của tủ lạnh ban đêm, đều có dấu vết của cộng hưởng.
Câu hỏi để bạn mang theo: cây đàn bầu của người Việt chỉ có một dây mà chơi được cả một bản nhạc, và bí mật của nó nằm ở việc người chơi chạm tay đúng những điểm làm dây rung theo những nhịp riêng khác nhau. Tập sau mình sẽ kể kỹ.
Câu hỏi thường gặp
Tần số riêng của một vật phụ thuộc vào gì?
Chủ yếu vào khối lượng và độ cứng của vật, cùng hình dạng và cách nó được giữ. Vật cứng và nhẹ có tần số riêng cao, vật mềm và nặng có tần số riêng thấp.
Động đất có gây cộng hưởng với nhà cao tầng không?
Có thể. Nếu nhịp rung của mặt đất gần với tần số riêng của một toà nhà, toà nhà đó sẽ rung mạnh hơn các nhà khác. Kỹ sư kết cấu tính toán điều này khi thiết kế ở vùng có nguy cơ động đất.
Giảm chấn là gì?
Giảm chấn là cơ chế lấy bớt năng lượng dao động, biến nó thành nhiệt, như phuộc nhún của xe máy hay các khối cao su lót chân máy. Có giảm chấn thì cộng hưởng không thể đẩy dao động lên quá lớn.
Cộng hưởng có lợi trong những việc gì?
Đài radio dùng cộng hưởng để chọn đúng một kênh giữa rất nhiều sóng, nhạc cụ dùng nó để làm âm thanh vang to, còn đồng hồ thạch anh đếm giờ nhờ một mẩu tinh thể thạch anh rung đều đặn ở tần số riêng của nó.
Vì sao xích đu không đu cao mãi khi đẩy đúng nhịp?
Ma sát ở chỗ treo và sức cản không khí lấy bớt năng lượng mỗi nhịp. Khi năng lượng mất đi bằng năng lượng bạn đẩy thêm vào, độ cao không tăng nữa mà giữ ổn định.
