Автоколебания

Из курса физики за 11 класс известно, что колебания — это изменение некоторого параметра системы вокруг среднего значения. Одним из видов колебаний являются автоколебания. Рассмотрим суть и особенности автоколебаний, дадим их определение.

Автоколебательные системы

В любой реальной системе происходят потери энергии. Любые колебания в реальных условиях не могут обходиться без притока энергии. Поэтому незатухающие колебания в реальности всегда являются вынужденными. Они постоянно получают энергию, которая компенсирует потери.

Свободные и вынужденные колебания

Рис. 1. Свободные и вынужденные колебания.

Однако процесс пополнения энергии может происходить по-разному. Например, поршень насоса колеблется под действием сил, приложенных к нему через механизм от ведущего вала. Здесь колебания поршня происходят с частотой, задаваемой извне, и вся подводимая энергия сразу же уходит на продвижение перекачиваемой жидкости.

Возможен другой вариант пополнения энергии — маятник часов. С каждым качанием маятник пополняет запасы энергии от анкерного механизма. Существенное отличие здесь состоит в том, что частота пополнения энергии в маятнике регулируется самим маятником.

Если в случае насоса параметры неважны — колебания будут всё равно происходить с частотой, задаваемой валом, — то в случае маятника ситуация другая. Увеличив жесткость пружины или массу баланса, мы изменим частоту колебаний, поскольку качающийся маятник изменит частоту подведения энергии от анкерного механизма.

Системы, в которых незатухающие колебания существуют за счет поступления энергии в систему под ее же управлением, называются автоколебательными. Колебания, возникающие в таких системах, называются автоколебаниями. В отличие от вынужденных колебаний, автоколебания существуют в системе без поступления внешних воздействий.

Еще один пример автоколебательной системы — это электрический генератор с контуром, состоящим из конденсатора и катушки индуктивности. В контуре могут существовать затухающие свободные колебания. Чтобы колебания в контуре стали незатухающими автоколебаниями, необходимо добавить в систему специальный элемент, который бы компенсировал потери энергии в контуре, причем делал бы это с периодом собственных колебаний контура (он находится по формуле Томсона $T=2\pi \sqrt {LC}$).

Таким элементом, как правило, является транзистор. Часть напряжения на катушке поступает на управляющий электрод транзистора (базу), и через участок коллектор-эмиттер транзистора энергия добавляется в контур.

Схема генератора на транзисторе

Рис. 2. Схема генератора на транзисторе.

Элементы автоколебательной системы

Выделим элементы автоколебательной системы:

  • источник, за счет которого восполняются потери энергии колебаний;
  • элемент, в котором возможно существование свободных затухающих колебаний;
  • устройство, регулирующее поступление энергии от источника;
  • обратная связь, управляющая регулирующим устройством, в зависимости от фазы колебаний.

В любой автоколебательной системе есть эти элементы. Отсутствие любого из них приводит к тому, что колебания становятся затухающими или вовсе невозможны.

Рис. 3. Автоколебательная система.

Что мы узнали?

Автоколебательная система — это система, колебания в которой совершаются под управлением самой системы. Простейшими примерами из жизни автоколебательных систем является маятник часов или генератор на транзисторе. Колебания, возникающие в автоколебательных системах, называются автоколебаниями.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 5

    Почему в реальности незатухающие колебания всегда являются вынужденными?

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.3. Всего получено оценок: 3.

Предметы