نوسان کننده خود برانگیخته

مقاومت در مدارهای الکتریکی نقش همان اصطکاک را در دستگاه های نوسان کننده مکانیکی بر عهده دارد.

در مطلب قبل با بررسی نوسان میرا دانستید که در حركتِ هماهنگ ساده، نوسان گر با دامنه ثابت نوسان می كند. در ادامه این مطلب به بررسی نوسان های نامیرا می پردازیم.

طبقه بندی عمومی ارتعاشات

ارتعاش آزاد: سیستم در اثر اعمال نیروهای ذاتی و الینفک خود تحت یک تحریک اولیه نوسان می کند و نیروهای خارجی حضور نداشته باشند.

سیستم تحت ارتعاش آزاد با یک یا چند فرکانس طبیعی خود منتشر می شود.

ارتعاش اجباری: ارتعاشی است که تحت تاثیر نیروهای خارجی صورت می پذیرد.

اگر در ارتعاش اجباری فرکانس نیروی محرک بر یکی از فرکانس های طبیعی سیستم منطبق شود حالت تشدید (رزونانس) اتفاق می افتد، یعنی نوسانی با دامنه بزرگ که می تواند سبب شکست سازه های عظیم نظیر پل ها و بال هواپیما شود.

ارتعاشات میرا و نامیرا

اگر انرژی در اثر اصطکاک و یا سایر نیروهای مقاوم حین نوسان تلف نشود بدان ارتعاش نامیرا گفته می شود و اگر انرژی بدین صورت تلف شده و تحلیل یابد بدان ارتعاش میرا گفته می شود.

نوسان های نامیرا (دستگاه های نوسان کننده خود برانگیخته)

نوسان های آزاد به سبب اتلاف انرژی (اصطکاک، مقاومت محیط، مقاومت رسانای الکتریکی و غیره) همواره تضعیف می شوند. اما در فیزیک و آزمایش های فیزیکی به نوسان های نامیرایی که تا وقتی دستگاه نوسان می کند نوسان های خود را حفظ می کنند نیاز مبرم می باشد. (چنین نوسان هایی را چگونه می توان به دست آورد؟)

دانستید که نوسان های واداشته، که در آنها کار نیروی دوره ای خارجی اتلاف انرژی را تامین می کند، نامیرا می باشند. اما نیروی دوره ای خارجی چگونه به دست می آید؟ این نیرو نیز به نوبه خود به چشمه نوسان های نامیرا نیاز دارد.

نوسان های نامیرا را دستگاه هایی تولید می کنند که با گرفتن انرژی از چشمه دائمی انرژی خودشان می توانند نوسان هایشان را حفظ کنند چنین وسایلی را دستگاه های نوسان کننده خود برانگیخته می نامند. (شکل 1) نمونه ای از یک وسیله الکترومکانیکی از این نوع را نشان می دهد. وزنه ای از فنری آویزان است که قسمت پایین آن در طول نوسان های این ارتعاشگر کشسان در ظرفی پر از جیوه فرو رفته است. یک قطب باتری به بالای فنر وصل شده است و قطب دیگر آن به ظرف جیوه اتصال دارد. هنگامی که وزنه پایین می آید مدار الکتریکی بسته می شود و جریانی از فنر می گذرد. به سبب اثر میدان مغناطیسی این جریان، حلقه های فنر یکدیگر را جذب می کنند، فنر فشرده می شود و به آن تکانی رو به سوی بالا وارد می شود. سپس جریان قطع می شود دیگر حلقه های فنر یکدیگر را جذب نمی کنند، وزنه مجددا پایین می آید و فرایند به تمامی تکرار می شود.

بنابراین، ارتعاش های ارتعاشگر کشسان، که اگر به حال خود گذاشته می شد میرا می بود، با ضربه های دوره ای ناشی از ارتعاش های خود دستگاه محفوظ می مانند. در ضمن هر ضربه، باتری مقداری انرژی به دستگاه می دهد که بخشی از آن برای بالا بردن وزنه صرف می شود. خود دستگاه نیروی وارد بر خودش و مقدار انرژی ای را که باید چشمه (باتری) تامین کند کنترل می کند. نوسان ها تضعیف نمی شوند درست به این دلیل که مقدار انرژی ای که در هر دوره از باتری بیرون می رود دقیقا برابر با انرژی ای است که در این مدت به سبب اصطکاک و عوامل دیگر از بین می رود. دوره این نوسان های نامیرا عملا با دوره نوسان های طبیعی بار آویزان از فنر منطبق می باشد. یعنی از روی سختی فنر و جرم وزنه تعیین می شود.

برای مثال: می توان در دیاپازون ارتعاش های نامیرا القا کرد (شکل2) هنگامی که شاخه های دیاپازون از یکدیگر دور می شوند، تماس 1 عملی می شود و جریانی از سیم پیچ آهنربای الکتریکی 2 می گذرد و آهنربا با شاخه های دیاپازون را جذب می کند. سپس تماس 1 قطع و تمامی چرخه تکرار می شود.

برای تولید نوسان، مقدار اختلاف فاز بین نوسان و نیرویی که این نوسان ها را کنترل می کند نقش اساسی دارد. حال تماس 1 را از سطح خارجی شاخه به سطح داخلی آن انتقال می دهیم. این دفعه هنگامی که شاخه ها به یکدیگر نزدیک تر شوند مدار بسته می شود، یعنی لحظه ای که آهنربای الکتریکی وصل می شود در مقایسه با آزمایش پیش نیم دوره جابه جا شده است. می تان به آسانی دید که در این حالت به سبب اتصال دائم آهنربای الکتریکی دو شاخه دیاپازون در حالت فشردگی دائم می مانند، یعنی نوسانی مشاهده نمی شود.

شکل 2: ارتعاش های خود برانگیخته یک دیاپازون (روی عکس کلیک کنید.)

در صنعت از دستگاه های نوسان کننده خود برانگیخته الکترومکانیکی بسیار استفاده می شود. با وجود این، دستگاه های نوسان کننده خود برانگیخته مکانیکی محض نیز زیاد به کار می روند و مهم می باشند. در این مورد می توان از ساز و کار ساعت نام برد. نوسان های نامیرای آونگ یا چرخ لنگر ساعت از انرژی پتانسیل وزنه بالا برده شده یا انرژی کشسانی فنر پیچیده ناشی می شوند.

در یک سیستم پایستار انرژی کل ثابت است. برای ارتعاش آزاد یک سیستم نامیرا بخشی از انرژی به صورت انرژی جنبشی و بخشی دیگر به صورت انرژی پتانسیل ظاهر شده است. این بدان معنی است که انرژی جنبشی (T) ناشی از سرعت در جرم ذخیره میشود.

انرژی پتانسیل (U) به شکل انرژی کرنش در تغییر مکان الاستیک، یا کار انجام شده در میدان نیروی جاذبه ذخیره شده است.

ثابت = T+U