§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные си-

Гл. III. Электрические колебания

77

На рис. 55 изображен пример электромеханического устрой-

ства такого рода. Груз висит на пружине, нижний конец которой

погружается при колебаниях этого пружинного маятника в ча-

шечку со ртутью. Один полюс батареи присоединен к пружине

Рис. 55.

Автоколебания

груза на пружине

наверху, а другой — к чашечке со рту-

тью. При опускании груза электриче-

ская цепь замыкается и по пружине

проходит ток. Витки пружины благо-

даря магнитному полю тока начинают

при этом притягиваться друг к другу,

пружина сжимается, и груз получает

толчок кверху. Тогда контакт разры-

вается, витки перестают стягиваться,

груз опять опускается вниз, и весь

процесс повторяется снова.

Таким образом, колебание пружин-

ного маятника, которое само по себе

затухало бы, поддерживается периоди-

ческими толчками, обусловленными

самим колебанием маятника. При

каждом толчке батарея отдает порцию

энергии, часть которой идет на подъем

груза. Система сама управляет дей-

ствующей на нее силой и регулирует

поступление энергии из источника — батареи. Колебания не

затухают именно потому, что за каждый период от батареи от-

бирается как раз столько энергии, сколько расходуется за то же

время на трение и другие потери. Что же касается периода этих

незатухающих колебаний, то он практически совпадает с перио-

дом собственных колебаний груза на пружине, т. е. определяется

жесткостью пружины и массой груза.

Подобным же образом возникают незатухающие колебания

молоточка в электрическом звонке, с той лишь разницей, что

в нем периодические толчки создаются отдельным электромаг-

нитом, притягивающим якорек, укрепленный на молоточке. Ана-

логичным путем можно получить автоколебания со звуковыми

частотами, например возбудить незатухающие колебания камер-

тона (рис. 56). Когда ножки камертона расходятся, замыкает-

ся контакт 1; через обмотку электромагнита 2 проходит ток,

и электромагнит стягивает ножки камертона. Контакт при этом

размыкается, и далее следует повторение всего цикла.

Чрезвычайно существенна для возникновения колебаний

р а з н о с т ь

ф а з

м е ж д у

к о л е б а н и е м

и

с и л о й,

78

Гл. III. Электрические колебания

которую оно регулирует. Перенесем контакт 1 с внешней стороны

ножки камертона на внутреннюю. Замыкание происходит теперь

Рис. 56. Автоколебания камертона

не при расхождении, а при сближении ножек, т. е. момент

включения

электромагнита

передвинут

на

полпериода

по

сравнению с предыдущим опытом. Легко видеть, что в этом

Рис. 57. Схема часового

механизма

случае камертон будет все время сжат

непрерывно включенным электромагни-

том, т. е. колебания вообще не воз-

никнут.

Электромеханические

автоколеба-

тельные системы применяются в техни-

ке очень широко, но не менее распро-

страненными и важными являются и

чисто механические автоколебательные

устройства. Достаточно указать на лю-

бой часовой механизм. Незатухающие

колебания маятника или балансира ча-

сов поддерживаются за счет потенци-

альной энергии поднятой гири или за

счет упругой энергии заведенной пру-

жины.

Рис.

57

иллюстрирует

принцип

действия

маятниковых

часов

Гали-

лея–Гюйгенса (§ 11). На этом рисунке

изображен так называемый анкерный

ход. Колесо с косыми зубьями 1 (хо-

довое колесо) жестко скреплено с зуб-

чатым барабаном, через который пере-

кинута цепь с гирей 2. К маятнику 3

приделана перекладина 4 (анкер), на

концах которой укреплены палетты 5 —

пластинки, изогнутые по окружности

с центром на оси маятника 6. Анкер не позволяет ходовому ко-

лесу свободно вращаться, а дает ему возможность провернуться

только на один зуб за каждые полпериода маятника. Но и ходо-

Гл. III. Электрические колебания

79

вое колесо действует при этом на маятник, а именно, пока зуб

ходового колеса соприкасается с изогнутой поверхностью левой

или правой палетты, маятник не получает толчка и только слегка

тормозится из-за трения. Но в те моменты, когда зуб ходового

колеса «чиркает» по торцу палетты, маятник получает толчок

в направлении своего движения. Таким образом, маятник совер-

шает незатухающие колебания, потому что он сам в определен-

ных своих положениях дает возможность ходовому колесу под-

толкнуть себя в нужном направлении. Эти толчки и восполняют

расход энергии на трение. Период колебаний и в этом случае

почти совпадает с периодом собственных колебаний маятника,

т. е. зависит от его длины.

Автоколебаниями являются также колебания струны под дей-

ствием смычка (в отличие от свободных колебаний струны у роя-

ля, арфы, гитары и других несмычковых струнных инструментов,

возбуждаемых однократным толчком или рывком); автоколеба-

ниями являются звучание духовых музыкальных инструментов,

движение поршня паровой машины и многие другие периодиче-

ские процессы.

Характерная черта автоколебаний состоит в том, что их ам-

плитуда определяется свойствами самой системы, а не началь-

ным отклонением или толчком, как у свободных колебаний.

Если, например, маятник часов отклонить слишком сильно, то

потери на трение будут больше, чем поступление энергии от

заводного механизма, и амплитуда будет уменьшаться. Наоборот,

если уменьшить амплитуду, то избыток энергии, сообщаемой

маятнику ходовым колесом, заставит амплитуду возрасти. Ав-

томатически установится именно такая амплитуда, при которой

расход и поступление энергии сбалансированы.

жүктеу/скачать 6,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: