§ 28. Автоколебания
На рис. 46, а изображена ванна треугольного сечения, укрепленная на оси, около которой эта ванна может покачиваться. У ванны есть какой-то свой период свободных колебаний, и, откачнув ее от положения равновесия, мы можем наблюдать эти свободные колебания до тех пор, пока трение и сопротивление воздуха не остановят их. Поместим эту ванну под водопроводным краном и пустим равномерный поток воды так, чтобы этот поток падал на стенку ванны подальше от ее центровой линии. Нетрудно сообразить, что при этом произойдет. По мере наполнения водой центр тяжести ванны повышается и, наконец, становится выше оси, около которой эта ванна закреплена. Небольшого давления струи воды теперь достаточно для переворота ванны, вода выльется и ванна вернется обратно. Далее явление повторится и будет продолжаться до тех пор, пока в ванну будет поступать струя воды. Ванна будет колебаться. Однако характер этих колебаний и сущность явления весьма отличны от тех колебаний, которые мы изучали выше.
Рис. 46.
Прежде всего, важно отметить, что внешнее воздействие не носит характера колебаний. Внешнее воздействие (давление струи воды) дает постоянную силу. Второе обстоятельство: реальная система, подверженная действию трения или иных сопротивлений, совершает незатухающие колебания. И, наконец, еще одно важное обстоятельство: возникшие колебания не являются гармоническими, их уже нельзя представить синусоидой. В примере, которым мы воспользовались, общего с синусоидой будет совсем мало. Проделав подобный опыт, можно убедиться, что количество воды в ванне в зависимости от времени может быть представлено пилообразной кривой вроде той, что показана на рис. 46, б.
Описанные нами колебания принадлежат к так называемым автоколебаниям. Автоколебания — своеобразное явление, принципиально отличное от свободных - незатухающих колебаний, происходящих без действия сил, а также от вынужденных колебаний, происходящих под действием периодической силы. Пример, выбранный выше, может показаться искусственным. Однако автоколебательные системы имеют значительное распространение, и мы
сталкиваемся с ними весьма часто всюду, где имеют место механические или иные колебания.
К автоколебательным системам принадлежат простейшие маятниковые часы (рис. 47). Как известно, такие часы заводятся подъемом гири, которая висит на цепочке, перекинутой через зубчатое колесо. Это колесо с помощью зубчатого механизма передает вращение ходовому колесу, которое может сцепляться с изогнутым равноплечим рычагом — анкером. С анкером жестко скреплен маятник. В моменты, когда ходовое колесо касается своими зубьями зубьев анкера, маятник испытывает толчок, при этом ходовое колесо перемещается на один зубец. В остальное время маятнике анкером качается свободно, обеспечивая точность хода часов. Анкер и ходовое колесо сконструированы таким образом, что маятник получает два толчка по ходу движения: один, когда он идет слева направо, а другой — когда идет справа налево.
Рис. 47.
В часах мы находим те же признаки автоколебательной системы, которые имеются в ванне треугольного сечения. Колебания происходят под действием постоянной (а не периодической) силы, колебания незатухающие, несмотря на наличие трения, и не имеют гармонического характера.
В приведенных примерах видно общее свойство автоколебаний, называемое обратной связью. Маятник совершает незатухающие колебания, заставляя механизм подталкивать себя в подходящие моменты. Механизм толкает маятник, а маятник оказывает обратное действие на механизм. Если маятник неподвижен, то прекращаются и толчки. Колебаниями маятника управляет сам маятник.
Так же точно качаниями треугольной ванны управляет она сама. Поступающая вода регулирует качание ванны, а само устройство ванны регулирует поступление воды.
Струна, тронутая пальцами и отпущенная, находится в состоянии свободных колебаний. Иначе обстоит дело со струной, по которой музыкант ведет смычком; она совершает автоколебания пилообразного типа. Смычок увлекает струну, ведет ее за собой; когда смещение струны достигает некоторого предела, струна отрывается от смычка и возвращается в исходное положение. Смычок снова увлекает струну и процесс повторяется. За секунду, пока музыкант ведет смычок, явление периодически повторяется сотни раз. Это — типичные автоколебания, так как они вызываются постоянно действующей силой. Сама струна своей упругостью управляет колебаниями.
Скрипящие звуки плохо смазанных дверных петель — явления такого же происхождения.
Мы говорим во всех случаях об обратной связи, если прибор или машина вносит автоматически коррективы в свое поведение при изменении условий работы. Принцип обратной связи является одной из основных идей, используемых современной автоматикой.
