Độ cứng lò xo

Định luật Hooke:

1.Phát biểu

- Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo.

2.Đặc điểm

- Phương của lực: lực đàn hồi có phương dọc trục lò xo.

- Chiều của lực:

     + Lực đàn hồi ở đầu không cố định ngược chiều với chiều biến dạng của lò xo (hướng về vị trí không biến dạng).

     + Lực đàn hồi tác dụng lên hai đầu có cùng độ lớn nhưng ngược hướng nhau .

- Độ lớn: tuân theo định luật Hooke.

- Dấu trừ trong công thức $\overrightarrow{F_{đh}}=-k.\overrightarrow{∆l}$ thể hiện lực đàn hồi luôn chống lại tác nhân gây ra biến dạng của nó.

- Nếu chỉ tính độ lớn ta có Fđh=k.∆l

Chú thích:

$F_{đh}$: lực đàn hồi (N).

k: độ cứng lò xo (N/m).

∆l: độ biến dạng của lò xo (m)

Trường hợp lò xo nằm ngang:

Tại vị trí cân bằng: F=Fdh⇔F=k.∆l.

Độ biến dạng lò xo tại vị trí cân bằng: $∆l_0=\frac{F}{k}$

Chiều dài của lò xo ở vị trí cân bằng: $l=l_0+∆l_0$

Chú thích:

F: lực tác dụng (N).

Fđh: lực đàn hồi (N).

k: độ cứng lò xo (N/m).

∆l: độ biến dạng của lò xo (m)

l: chiều dài của lò xo ở vị trí đang xét (m).

lo: chiều dài tự nhiên của lò xo - khi chưa có lực tác dụng (m).

Lưu ý : Nếu ban đầu chưa tác dụng lực hoặc lò xo ở chiều dài tự nhiên thì dô biến dạng ban đầu bằng không.

Trường hợp lò xo treo thằng đứng:

Tại vị trí cân bằng: 

$$\begin{gathered} P=F_{dh} \\ \Rightarrow mg=k.∆l_0 \end{gathered}$$

Độ biến dạng lò xo tại vị trí cân bằng: $∆l_0=\frac{P}{k}$

Chiều dài của lò xo ở vị trí cân bằng: $l=l_0+∆l_0$

Chú thích:

P: trọng lực tác dụng (N).

Fđh: lực đàn hồi (N).

k: độ cứng lò xo (N/m).

$∆l_0$: độ biến dạng ban đầu của lò xo (m)

l: chiều dài của lò xo ở vị trí đang xét (m).

$l_0$: chiều dài tự nhiên của lò xo - khi chưa có lực tác dụng (m).

Trường hợp lò xo treo trên mặt phẳng nghiêng:

Tại vị trí cân bằng: P.sin(α)=Fdh⇔m.g.sin(α)=k.∆l.

Độ biến dạng lò xo tại vị trí cân bằng: ∆l=P.sin(α)k=m.g.sin(α)k

Chiều dài của lò xo ở vị trí cân bằng: l=lo+∆l

Chú thích:

P: trọng lực tác dụng (N).

Fđh: lực đàn hồi (N).

k: độ cứng lò xo (N/m).

∆l: độ biến dạng của lò xo (m)

l: chiều dài cảu lò xo ở vị trí đang xét (m).

lo: chiều dài tự nhiên của lò xo - khi chưa có lực tác dụng (m).

α: góc tạo bởi mặt phẳng nghiêng so với phương ngang (deg) hoặc (rad).

Chú thích:

$k$: độ cứng của lò xo $(N/m)$.

$∆l$: độ biến đạng của lò xo $\left(m\right)$.

$W_{đh}$: thế năng đàn hồi $\left(J\right)$.

Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi gây bởi sự biến dạng của một lò xo đàn hồi thì trong quá trình chuyển động của vật, cơ năng được tính bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật là đại lượng bảo toàn.

$W=\frac{1}{2}.m.v^2+\frac{1}{2}.k.{(∆l)}^2 =\frac{1}{2}.m.{v^2}_{max}=\frac{1}{2}.k.{(∆l_{max})}^2 =const$

Chú thích:

$W$: cơ năng $\left(J\right)$.

$W_{đ}; W_{đmax}$: động năng - động năng cực đại $\left(J\right)$.

$W_{đh}; W_{đh max}$: thế năng - thế năng đàn hồi cực đại $\left(J\right)$.

Định luật bảo toàn cơ năng chỉ nghiệm đúng khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi, trọng lực, ngoài ra nếu chịu thêm tác dụng của lực cản, lực ma sát... thì cơ năng của vật sẽ bị biến đổi. Công của lực cản, lực ma sát.. sẽ bằng độ biến thiên cơ năng.

Chú thích:

$k$: Độ cứng của lò xo (hệ số đàn hồi của lò xo) $(N/m)$

$m$: Khối lượng của vật nặng gắn vào con lắc lò xo $\left(kg\right)$

$\omega$: Tần số góc (Tốc độ góc) $(rad/s)$

Giải thích công thức:

Ta có công thức tính tần số góc của con lắc lò xo: $\omega =\sqrt{\frac{k}{m}} \iff {\omega }^2=\frac{k}{m} \Rightarrow k=m{\omega }^2$.

Khái niệm:

Chu kỳ của lắc lò xo dao động điều hòa là khoảng thời gian vật thực hiện được một dao động toàn phần.

Chú thích:

$T$: Chu kỳ dao động $\left(s\right)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$N$: Số dao động mà chất điểm thực hiện được trong khoảng thời gian $t$.

$t:$ Thời gian thực hiện hết số dao động $\left(s\right)$.

$m$: Khối lượng vật treo trên lò xo $\left(kg\right)$.

$k$: Độ cứng của lò xo $(N/m)$.

$g$: Gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$∆l_0$: Độ biến dạng của lò xo tại vị trí cân bằng $\left(m\right)$.

Lưu ý:

Ta có : $\left\{\begin{array}{l}T=\frac{2\pi }{\omega }\\ \omega =\sqrt{\frac{k}{m}}=\sqrt{\frac{g}{∆l_0}}\end{array}\right.\Rightarrow T=2\pi \sqrt{\frac{m}{k}}=2\pi \sqrt{\frac{∆l_0}{g}}$

Chú thích:

$\omega$: Tốc độ góc (Tần số góc) $(rad/s)$.

$f$: Tần số dao động $\left(Hz\right)$.

T: Chu kỳ dao động $\left(s\right)$.

$m:$ Khối lượng của vật treo $\left(kg\right)$

$k$: Độ cứng của lò xo $(N/m)$

$∆l_0$: Độ dãn của lò xo tại vị trí cân bằng  $\left(m\right)$

$g$: Gia tốc trọng trường $(m/s^2)$

Khái niệm:

Tần số dao động là số dao động và chất điểm thực hiện được trong một giây.

Chú thích:

$f$: Tần số dao động $(1/s)$ $\left(Hz\right)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$T$: Chu kỳ dao động của vật $\left(s\right)$.

$N$: Số dao động mà chất điểm thực hiện được trong khoảng thời gian $t$.

$t:$ Thời gian thực hiện hết số dao động $\left(s\right)$.

Chú thích:

$∆l_0$: Độ biến dạng (độ dãn hay nén) của lò xo tại vị trí cân bằng $(cm, m)$.

$l_{cb}$: Chiều dài lò xo khi gắn vật và chưa dao động $(cm, m)$.

$l_0$: Chiều dài tự nhiên (chiều dài ban đầu) của lò xo $(cm, m)$

m: khối lượng của vật $\left(kg\right)$

$g:$ Gia tốc trọng trường $\left(m/s^2\right)$

$k:$Độ cứng của lò xo $\left(N/m\right)$

Độ cứng cùa lò xo mắc nối tiếp bằng nghịch đảo tổng nghịch đảo của  độ cứng của các lò xo thành phần.

Công thức:

                 $\frac{1}{k_{nt}}=\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2}$

Với :  + $k_{nt} :$độ cứng của lò xo khi mắc nối tiếp $\left(N/m\right)$

          +$k_1,k_2:$độ cứng của lò xo thành phần $\left(N/m\right)$

Độ cứng cùa lò xo mắc song song bằng  tổng các độ cứng của các lò xo thành phần.

Công thức:

                 $k_{ss}=k_1+k_2$

Với :  + $k_{ss} :$độ cứng của lò xo khi mắc song song $\left(N/m\right)$

          +$k_1,k_2:$độ cứng của lò xo thành phần $\left(N/m\right)$

Định nghĩa : năng lượng mà lò xo có được dưới dạng chuyển động.Động năng biến thiên điều hòa theo t với chu kì $\frac{T}{2}$

Công thức : $W_{đ}=\frac{1}{2}m{v}^2=\frac{1}{2}k{A}^2{\sin }^2\left(\omega t+\phi \right)=\frac{1}{2}k\left(A^2-x^2\right)$

Chú ý : Động năng cực đại ở VTCB, cực tiểu ở biên.

Chú thích:

$W_{đ}:$ Động năng của lò xo $\left(J\right)$.

$m:$ Khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

$v:$ Vận tốc của vật $\left(m/s\right)$.

$A :$ Biên độ dao động cùa lò xo $\left(m\right) ; \left(cm\right)$

$k:$Độ cứng của lò xo $\left(N/m\right)$.

$x:$Li độ của vật $\left(m\right) ; \left(cm\right)$

Định nghĩa : năng lượng mà lò xo có được khi bị biến dạng đàn hồi.Thế năng biến thiên điều hòa theo t với chu kì $\frac{T}{2}$

Công thức : $W_t=\frac{1}{2}k{x}^2=\frac{1}{2}k{A}^2{\cos }^2\left(\omega t+\phi \right)$

Chú ý : Thế năng cực tiểu ở VTCB, cực đại ở biên.

Chú thích:

$W_t:$ Thế năng của lò xo $\left(J\right)$.

$m:$ Khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

$v:$ Vận tốc của vật $\left(m/s\right)$.

$A :$ Biên độ dao động cùa lò xo $\left(m\right) ; \left(cm\right)$

$k:$Độ cứng của lò xo $\left(N/m\right)$.

$\phi :$Pha ban đầu của dao động $\left(rad\right)$

$x:$Li độ của vật $\left(m\right) ; \left(cm\right)$

Định nghĩa : Tổng các dạng năng lượng mà lò xo có được .Cơ năng có giá trị xác định (không biến thiên theo t) và bảo toàn khi bỏ qua ma sát.

Công thức : $W=W_{đ}+W_t=\frac{1}{2}m{v}^2+\frac{1}{2}k{x}^2=\frac{1}{2}k{A}^2=\frac{1}{2}m{\omega }^2{A}^2=\frac{1}{2}m{v^2}_{max}$

Chú ý : Động năng cực đại ở VTCB, cực tiểu ở biên.

Chú thích:

$W :$ Cơ năng của lò xo $\left(J\right)$

$W_{đ}:$ Động năng của lò xo $\left(J\right)$.

$W_t :$Thế năng của lò xo $\left(J\right)$.

$m:$ Khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

$v:$ Vận tốc của vật $\left(m/s\right)$.

$A :$ Biên độ dao động cùa lò xo $\left(m\right) ; \left(cm\right)$

$k:$Độ cứng của lò xo $\left(N/m\right)$.

$x:$Li độ của vật $\left(m\right) ; \left(cm\right)$

Phương trình dao động của con lắc lò xo:

Vị trí cân bằng là vị trí lò xo không bị biến dạng.Tốc độ góc của phương trình dao động là tốc độ góc của con lắc lò xo

               $x=A\cos \left(\omega t+\phi \right)$

Với $x :$ Li độ của con lắc lò xo $\left(cm\right) ; \left(m\right)$.

     $A :$ Biên độ dao động của con lắc lò xo $\left(cm\right) ; \left(m\right).$

     $\omega :$Tốc độ góc của con lắc lò xo $\left(rad/s\right)$

     $\phi :$Pha ban đầu $\left(rad\right)$

     $t :$Thời điểm $\left(s\right)$

Bước 1: Tính $\omega =\sqrt{\frac{k}{m}}$, A

Bước 2: Xác định pha ban đầu $\phi$

$F_{đh}=k∆l$

Khi lò xo nằm ngang :

$\overrightarrow{F_{đh}}=-k\overrightarrow{x}$

$F_{đh}$ cực đại tại hai biên và cực tiểu tại vị trí cân bằng

Khi lò xo treo thẳng đứng :

$\overrightarrow{F_{đh}}=-k\overrightarrow{\left(x+∆l_0\right)}$

Trường hợp 1 : $A>∆l_0$

$F_{đh}$ max =$k\left(A+∆l_0\right)$ tại biên dưới

$F_{đh}$ min tại vị trí không biến dạng

Tại biên trên : $F_{đh}=k\left(A-∆l_0\right)$

Trường hợp 2: $A< ∆l_0$

$F_{đh} max =kA$ tại biên dưới

Định nghĩa: Lực phục hồi là lực hoặc hợp lực làm cho vật dao động điều hòa.

Công thức:

                             $F=-m{\omega }^{2}x=-kx$

Chú thích:

$F:$ Lực phục hồi $\left(N\right)$

$\omega :$ Tần số góc của dao động $\left(rad/s\right)$

$x:$Li độ của vật $\left(cm\right) ; \left(m\right)$

+Lực hồi phục cực đại tại biên $F_{max}=m{\omega }^{2}A=kA$, cực tiểu tại VTCB

+Lực hồi phục cùng chiều với gia tốc

Đối với con lắc lò xo nằm ngang : lực hồi phục cũng chính là lực đàn hồi

$F=F_{đh}=-kx=-m{\omega }^{2}x$

Khi thanh quay đều: 

$\overrightarrow{P}+\overrightarrow{F_{đh}}=m\overrightarrow{a_{ht}}$

Khi quay trên phương ngang:

$P=k.∆l=m\left(∆l+l_0\right){\omega }^2$

Khi quay hợp với phương thẳng 1 góc $\alpha$:

$P=m\left(∆l+l_0\right)\cos \left(\alpha \right).{\omega }^2$

Vận tốc của xe để con lắc đặt trên xe có cộng hưởng (biên độ dao động cực đại):

Chu kì kích thích $T=\frac{L}{v}$ trong đó L là khoảng cách ngắn nhất giữa hai mối ray tàu hỏa hoặc hai ổ gà trên đường…

Công thức : $v=\frac{L}{T_0}=L.f_0$

với $T_0=2\pi \sqrt{\frac{m}{k}}$ hay $T_0=2\pi \sqrt{\frac{l}{g}}$

Công thức :

 $S=\frac{k{A}^2}{2F_C}$

Với S : Quãng đường vật đi được đến khi dừng $\left(m\right)$

$A:$Biên độ dao động $\left(m\right)$

$k:$Độ cứng của lò xo $\left(N/m\right)$

$F_C:$ Lực cản $\left(N\right)$

Chứng minh : $W=A_{F_C}\iff \frac{1}{2}k{A}^2=F_{C}S$

- Độ giảm biên độ sau một dao động:  

$∆A=\frac{4F_C}{m{\omega }^2}=\frac{4F_C}{k}$

với $F_C$ là lực cản

Nếu F_C là lực ma sát thì $∆A=\frac{4{\mu }_{t}N}{k}$

Nếu vật chuyển động theo phương ngang: $∆A=4x_0=\frac{4{\mu }_{t}mg}{k}$

Chứng minh : 

$$\begin{gathered} W=W_{đ}+W_t+A_{F_{ms}} \\ \iff \frac{1}{2}m{v}^2=\frac{1}{2}k{A}^2-\frac{1}{2}k{x}^2-F_{ms}.S \\ \Rightarrow v=\sqrt{\frac{k\left(A^2-x^2\right)-2F_{ms}S}{m}} \end{gathered}$$

Với v: vận tốc của vật $\left(m/s\right)$

      $A:$Biên độ của dao động $\left(m\right)$

      x: Li độ của vật $\left(m\right)$

      $F_{ms}:$ Lực ma sát $\left(N\right)$

      $S:$ Quãng đường vật đã đi $\left(m\right)$

      m : Khối lượng của vật $\left(kg\right)$

Công thức

$T=2\mathrm{\pi }\sqrt{\frac{m}{k}}=2\mathrm{\pi }\sqrt{\frac{∆{\mathrm{l}}_0}{\mathrm{gsin}\left(\mathrm{\alpha }\right)}}$

Với T : Chu kì con lắc lò xo trên mặt nghiêng $\left(s\right)$

       $∆l_0$: Độ biến dạng ban đầu của lò xo $\left(m\right)$

        g: Gia tốc trong trường $\left(m/s^2\right)$

        k : Độ cứng của lò xo $\left(N/m\right)$

        m: Khối lượng của vật $\left(kg\right)$

        $\alpha$: Góc nghiêng $\left(rad\right)$

Cho hai vật $m_1$ và $m_2$ được gắn lần lượt vào lo xo có độ cứng k thì có chu kì lần lượt là $T_1 và T_2$.

Tính chu kì $m\text{'}=a.m_1+b.m_2$ gằn vào lò xo k với $\left(a,b\in R và m\text{'}>0\right)$

Chu kì mới $T\text{'}$ là 

$T\text{'}=\sqrt{a{T_1}^2+b{T_2}^2}$

Ví dụ tính chu kì khi $m\text{'}=m_1-m_2$ thì $T\text{'}=\sqrt{{T_1}^2-{T_2}^2}$

$Tại VTCB : F_{đh}=P\sin \left(\alpha \right)$

Chú thích:

$∆l_0:$Độ giãn hoặc nén ban đầu của lò xo $\left(m\right)$

x : Li độ của vật $\left(m\right)$

m: Khối lượng của lò xo $\left(kg\right)$

$g :$Gia tốc trọng trường $\left(m/s^2\right)$

$\alpha :$Góc nghiêng của mặt phẳng

$l:$ Chiều dài của lò xo trong quá trình dao động $\left(m\right)$

A: Biên độ của dao động $\left(m\right)$

k : Độ cứng của lò xo $\left(N/m\right)$

Chú thích : 

Lực đàn hồi max tại biên dương và cực tiểu tại vị trí không biến dạng

Chú thích : Khi lò xo có $∆l_0>A$ , trong quá trình DĐĐH lò xo luôn dãn.

Lực đàn hồi max tại biên dương và cực tiểu tại vị trí biên âm

Định luật 2 Newton:

$$\begin{gathered} \overrightarrow{F_{dh}}+\overrightarrow{P}=m\overrightarrow{a_{ht}} \\ {F}_{dh}=k.∆l \\ R=\left(∆l+l_0\right).\sin \left(\alpha \right) \\ m{\omega }^{2}R=F_{dh}.\sin \left(\alpha \right)=P.\cos \left(\alpha \right) \end{gathered}$$

Với 

k (N/m) : Độ cứng của thanh.

E (Pa) : Ứng suất Young.

S ($m^2$) : Tiết diện ngang của thanh.

$l_0 \left(m\right)$ : Chiều dài của thanh

Ta giả thiết bỏ qua khối lượng lò xo

Đối với hệ lò xo mắc song song

Định luật II Newton cho vật :

${\overrightarrow{F}}_{dh1}+{\overrightarrow{F}}_{dh2}+\overrightarrow{F}=\overrightarrow{0}\Rightarrow k_1∆l_1+k_2∆l_2=F$

Mặc khác : độ biến dạng của từng lò xo :$∆l=∆l_1=∆l_2$  ,$F=F_{dhhe}=\left(k_1+k_2\right).∆l$

$k_{he}=k_1+k_2$

Đối với hệ lò xo mắc nối tiếp:

Định luật II Newton cho vật:

${\overrightarrow{F}}_{dh1}+\overrightarrow{F}=\overrightarrow{0}\Rightarrow F_{dh1}=F$

Tại điểm nối lò xo : ${\overrightarrow{F}}_{dh1}=-{\overrightarrow{F}}_{dh2}\Rightarrow F_{dh1}=F_{dh2}=F$

Mặc khác : độ biến dạng của từng lò xo : $∆l=∆l_1+∆l_2$,

$$\begin{gathered} \Rightarrow \frac{F}{k_{he}}=\frac{F}{k_1}+\frac{F}{k_2} \\ \Rightarrow \frac{1}{k_{he}}=\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2} \end{gathered}$$

Trường hợp lò xo nằm ngang :  $F_{dh1}=F_{dh2}\Rightarrow \frac{∆l_1}{∆l_2}=\frac{k_2}{k_1}$

$$\begin{gathered} Khi AB\ne l_{01}+l_{02}: \\ ∆l=∆l_1+∆l_2=\left|AB-l_{01}+l_{02}\right| \end{gathered}$$

$k_{he}=k_1+k_2$

Trường hợp lò xo thẳng đứng: 

$$\begin{gathered} P=F_{dh1}+F_{dh2}\Rightarrow ∆l_1=∆l_2 \\ P=\left(k_1+k_2\right)∆l=k_{he}.∆l \\ \Rightarrow ∆l_1=∆l_2=\frac{P}{k_1+k_2} \end{gathered}$$

Độ biến dạng có độ lớn giống nhau nhưng một cái bị dãn và một cái bị nén.

Lò xo có độ dài tự nhiên $l_{0 }\left(k_0\right)$ được cắt thành n đoạn.

Trong đó:

+E: suất Young ($N/m^2$)

+S: tiết diện ngang ($m^2$)

Lực nén (lực đẩy) cực đại của con lắc lò xo chỉ sinh ra khi lò xo treo thẳng đứng và biên độ A lớn hơn độ dãn của lò xo ở VTCB $(A>\Delta l)$.

Lúc này lò xo sẽ bị nén và sinh ra lực nén (hay còn gọi là lực đẩy).

Trong đó:

$k:$ độ cứng lò xo (N/m)

$A:$ biên độ dao động (m)

$\Delta l:$độ biến dạng của lò xo tại VTCB (m)

$F_{nén}$: lực nén của lò xo (N)