Гармонические колебания, уравнения, график, параметры. Электромагнитные свободные колебания. Автоколебания, страница 15

             2) внешняя сила должна действовать на колебательную систему « в такт», т. е. синфазно с происходящими в системе свободными колебаниями. Для выполнения этих условий необходимо иметь специальное устройство, которое регулировало бы поступление энергии в колебательную систему. Назовем это устройство условно  клапаном . Клапан должен управляться колебательной  системой. Блок-схема устройства, в котором возможны незатухающие колебания, изображена на рисунке  1.

                                 Обратная связь

           Такие устройства получили название автоколебательных систем, а возникающие в них колебания - автоколебаний. Любая автоколебательная система состоит из трёх частей: а) собственно колебательной системы; б) источника энергии; в) «клапана» .  Теория автоколебаний была разработана в основном в трудах советских физиков-ядерщиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и их учеников. Термины «автоколебания», «автоколебательные системы» были введены в науку академиком А. А. Андроновым.

        2.  Маятниковые часы как пример механической автоколебательной системы. Наиболее распространённой механической системой являются маятниковые часы, изобретённые в 1657 г.  голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Основными элементами  маятниковых часов являются: колебательная система-маятник, источник энергии-поднятый груз (или сжатая пружина), клапан - анкер и ходовое колесо (рисунок 2).

          При колебаниях маятника, вызванных начальным толчком, из-за трения происходят необратимые преобразования сообщенной маятнику энергии, и он неизбежно остановится, если  мы не будим его подталкивать в такт с его свободными колебаниями.

          Подталкивание маятника, т. е. восполнение убыли энергии в колебательной системе, осуществляется ходовым колесом  через палетты анкера.  Рассмотрим, как это происходит.

          Груз (или пружина) заставляет ходовое колесо вращаться. Однако вращению колеса препятствует палетты (зубцы) анкера, одна из которых  (в нашем случае левая) вошла в зазор между зубьями ходового колеса (рисунок 2, а).

          Если мы отведём маятник влево, то левая палетта выйдет из зазора ходового колеса и колесо получит возможность провернуть на  один зуб вправо. При повороте ходового колеса его зуб, скользя по скоку левой палетты, толкает её вверх, а с ней и маятник влево. В этот момент маятник проходит положение равновесия. Когда маятник будит проходить положение равновесия слева направо (рисунок 2,б), правая палетта выйдет из зацепления и ходовое колесо получит возможность повернуть ещё на зуб, скользя по скосу правой палетты, толкает её в вверх, а вместе с ней и маятник вправо. Мы  видим, что маятник в основном движется свободно, получая за период два толчка: от левой палетты- влево и от правой палетты - право.

      3   Другие примеры автоколебательных систем.

Автоколебательные системы и автоколебания весьма распространены. Все духовые музыкальные инструменты являются автоколебательными системами. Автоколебательными системами являются и смычковые музыкальные инструменты ( скрипка, виолончель, каманча и др.). В смычковых инструментах колебательной системой является струна, источником  энергии - рука музыканта, обратная связь осуществляется через смычок. При движении смычка по струне последняя сначала увлекается смычком, а затем, «срываясь», возвращается в начальное положение и по инерции происходит дальше. Затем процесс повторяется. Струна колеблется с частотой, очень близкой к её собственной частоте.

Электрические автоколебательные системы

Автоколебательные системы чрезвычайно распространены в современной радиотехнике. Рассмотрим в качестве примера генератор синусоидальных электрических колебаний.