Как сделать колебания незатухающими
Добавил пользователь Cypher Обновлено: 05.10.2024
Для начала свободных колебаний необходим первоначальный внешний импульс, чтобы вывести колебательную систему из состояния равновесия.
По мере совершения колебаний энергия будет расходоваться на преодоление сил сопротивления - трение в подвесе, сопротивление воздуха, и амплитуда будет постепенно уменьшаться. Спустя некоторые время механическая энергия полностью перейдёт во внутреннюю и колебания прекратятся. Поэтому все свободные колебания являются затухающими .
Для того, чтобы обеспечить постоянную амплитуду и сделать колебания незатухающими , необходима подача энергии извне в течение каждого периода колебаний.
Чтобы осуществить подачу энергии, нужно регулярно прикладывать силу и вынуждать колебания продолжаться. Как пример можно рассмотреть качели (рис. \(1\)): подталкивая их, мы не даем им остановиться.
Вынужденными колебаниями называются колебания, совершаемые телом под действием внешней периодически изменяющейся силы.
В примере с качелями вынуждающей силой является отталкивание качелей со стороны второго человека. Для того, чтобы колебания оставались гармоническими, направление действия силы должно быть в одном и том же направлении и в одной и той же точке колебания.
- Если подталкивать качели в разных точках и в разные стороны, то периодичность колебаний можно нарушить.
- Если значение вынуждающей силы увеличивать, то можно получить резкое возрастание амплитуды колебаний — явление резонанса колебаний.
Установившимися вынужденными колебаниями называют гармонические колебания с частотой вынуждающей силы.
Перемешивая ложкой напитки в чашке, мы заставляем частицы жидкости совершать колебания с частотой вращения ложки. Газ в двигателе внутреннего сгорания поддерживает колебание поршня (рис. \(2\)). Источник вынуждающей силы задаёт частоту колебаний всей системы.
Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счёт периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Такие системы называются автоколебательными, а процесс незатухающих колебаний в таких системах — автоколебаниями.
В автоколебательной системе можно выделить три характерных элемента — колебательная система, источник энергии и устройство обратной связи между колебательной системой и источником.
В качестве колебательной системы может быть использована любая механическая система, способная совершать собственные затухающие колебания (например, маятник настенных часов).
Источником энергии может служить энергия деформация пружины или потенциальная энергия груза в поле тяжести.
Устройство обратной связи представляет собой некоторый механизм, с помощью которого автоколебательная система регулирует поступление энергии от источника.
в часовом механизме с анкерным ходом обратная связь осуществляется за счет взаимодействия анкера с ходовым колесом (рис. \(3\)), позволяя закручивать гирю на цепь, что позволяет маятнику часов колебаться.
Механические автоколебательные системы широко распространены в окружающей нас жизни и в технике. Автоколебания совершают поршни в паровых машинах и в двигателях внутреннего сгорания, молоточки в электрических звонках (рис. \(4\)), струны смычковых музыкальных инструментов, воздушные столбы в трубах духовых инструментов, голосовые связки при разговоре или пении.
Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)
Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.
Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.
Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль "клапана" играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку Lсв индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.
При замыкании цепи через транзистор проходит импульс тока, который заряжает конденсатор С колебательного контура, в результате чего в контуре возникают свободные электромагнитные колебания малой амплитуды. Ток, протекающий по контурной катушке L, индуцирует на концах катушки обратной связи переменное напряжение. Под действием этого напряжения электрическое поле эмиттерного перехода периодически то усиливается, то ослабляется, а транзистор то открывается, то запирается. В те промежутки времени, когда транзистор открыт, через него проходят импульсы тока. Если катушка Lсв подключена правильно (положительная обратная связь), то частота импульсов тока совпадает с частотой колебаний, возникших в контуре, и импульсы тока приходят в контур в те моменты, когда конденсатор заряжается (когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно). Поэтому импульсы тока, проходящие через транзистор, подзаряжают конденсатор и пополняют энергию контура, и колебания в контуре не затухают.
Если при положительной обратной связи медленно увеличивать расстояние между катушками Lсв и L, то с помощью осциллографа можно обнаружить, что амплитуда автоколебаний уменьшается, и автоколебания могут прекратиться. Это значит, что при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур, меньше энергии, необратимо преобразуемой во внутреннюю. Таким образом, обратная связь должна быть такой, чтобы: 1) напряжение на эмиттерном переходе изменялось синфазно с напряжением на конденсаторе контура — это фазовое условие самовозбуждения генератора; 2) обратная связь обеспечивала бы поступление в контур столько энергии, сколько ее необходимо для компенсации потерь энергии в контуре — это амплитудное условие самовозбуждения.
Частота автоколебаний равна частоте свободных колебаний в контуре и зависит от его параметров.
Уменьшая L и С, можно получить высокочастотные незатухающие колебания, используемые в радиотехнике.
Амплитуда установившихся автоколебаний, как показывает опыт, не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы — напряжением источника, расстоянием между Lсв и L, сопротивлением контура.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 394-395.
1. Могут ли свободные колебания быть незатухающими? Почему?
Свободные колебания (т. е. колебания, происходящие за счёт начального запаса энергии) всегда затухающие.
Поскольку весь запас энергии, первоначально сообщённый колебательной системе, в конце концов уходит на совершение работы по преодолению сил трения и сопротивления среды (т. е. механическая энергия переходит во внутреннюю).
Поэтому свободные колебания почти не имеют практического применения.
2. Что необходимо делать для того, чтобы колебания были незатухающими?
Чтобы колебания были незатухающими, необходимо восполнять потери энергии за каждый период колебаний.
Это можно осуществить, воздействуя на колеблющееся тело периодически изменяющейся силой.
Каждый раз подталкивая качели в такт их колебаниям, можно добиться того, чтобы колебания не затухали.
3. Какие колебания называются вынужденными?
Колебания, совершаемые телом под действием внешней периодически изменяющейся силы, называются вынужденными колебаниями.
4. Что такое вынуждающая сила?
Внешняя периодически изменяющаяся сила, вызывающая вынужденные колебания, называется вынуждающей силой.
5. В каком случае говорят, что колебания установились?
В большинстве случаев постоянная частота вынужденных колебаний устанавливается не сразу, а спустя некоторое время после их начала.
Когда амплитуда и частота вынужденных колебаний перестают меняться, говорят, что колебания установились.
6. Что можно сказать о частоте установившихся вынужденных колебаний и частоте вынуждающей силы?
Частота установившихся вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы.
7. Могут ли тела, не являющиеся колебательными системами, совершать вынужденные колебания? Приведите примеры.
Да.
Вынужденные колебания могут совершать даже тела, которые не являются колебательными системами.
- игла швейной машины,
- поршни в двигателе внутреннего сгорания.
Колебания таких тел тоже происходят с частотой вынуждающей силы.
8. До каких пор происходят вынужденные колебания?
Вынужденные колебания - незатухающие.
Они происходят до тех пор, пока действует вынуждающая сила.
Вам может понравиться Все решебники
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
Читайте также: