نوسانساز: موتور لرزان دنیا
نوسان چیست و چرا به نوسانساز نیاز داریم؟
به حرکتهای تکراری و منظم حول یک نقطهٔ تعادل، نوسان میگویند. تاب خوردن یک کودک روی تاب، حرکت عقربههای ساعت و لرزش سیم گیتار همگی نمونهای از نوسان هستند. نوسانساز، دستگاهی است که این حرکتهای تکراری را به طور کنترلشده و قابل تنظیم ایجاد میکند. ما برای آزمایش مقاومت مواد، شبیهسازی زمینلرزه، ماساژ درمانی، یا حتی بهصدا درآوردن زنگ موبایل به این دستگاه نیاز داریم.
انواع اصلی نوسانسازهای مکانیکی
نوسانسازها را میتوان بر اساس منبع نیروی محرکه و روش ایجاد نوسان دستهبندی کرد. درک این تقسیمبندی به انتخاب دستگاه مناسب برای هر کار کمک میکند.
| نوع نوسانساز | اصل کار | کاربردهای نمونه | سطح پیچیدگی |
|---|---|---|---|
| الکترومغناطیسی | با استفاده از نیروی بین آهنربا و سیمپیچ حامل جریان، یک صفحه یا میله را به حرکت درمیآورد. | ویبره موبایل، بلندگوهای ساده، دستگاههای ماساژ | ساده |
| ارتعاشی (موتور نامتعادل) | یک موتور میچرخد و وزنهای نامتعادل نصب شده روی آن، نیروی گریز از مرکز و لرزش ایجاد میکند. | ماشینهای ویبره بتن، فیدرهای خط تولید، سکوی ورزشی لرزان | متوسط |
| هیدرولیک/پنوماتیک | از فشار سیال (روغن یا هوا) برای جابجایی پیستون و ایجاد حرکت رفتوبرگشتی استفاده میکند. | شبیهسازهای زمینلرزه بزرگ، دستگاههای تست فشار در صنعت خودرو | پیشرفته |
کمی ریاضی: درک فرکانس، دامنه و دوره تناوب
برای توصیف دقیق نوسان، از سه مفهوم مهم استفاده میکنیم که مانند شناسنامهٔ یک نوسانساز هستند. این مفاهیم در فرمولهای سادهای بیان میشوند.
$T = \frac{1}{f}$ و $f = \frac{1}{T}$
در اینجا $T$دوره تناوب2 (زمان یک نوسان کامل بر حسب ثانیه) و $f$فرکانس3 (تعداد نوسان در ثانیه بر حسب هرتز Hz) است.
فرکانس (Hz): تعداد دفعاتی است که نوسان در یک ثانیه تکرار میشود. فرکانس ویبره موبایل حدود 200 Hz است، یعنی در یک ثانیه 200 بار میلرزد. صدای زیر فرکانس بالا و صدای بم فرکانس پایین دارد.
دامنه (m): بیشترین جابجایی نوسانساز از نقطه تعادل است. دامنه زیاد یعنی لرزش قویتر. در مثال فنر، هرچه وزنه را بیشتر بکشید، دامنه نوسان اولیه بیشتر میشود.
دوره تناوب (s): زمان لازم برای انجام یک نوسان کامل. اگر فرکانس 50 Hz باشد، دوره تناوب $T = \frac{1}{50} = 0.02$ ثانیه است.
ساخت یک نوسانساز ساده الکترومغناطیسی در خانه
برای درک عملی موضوع، میتوانید با وسایل ساده یک نوسانساز کوچک بسازید. این پروژه برای دانشآموزان دوره اول متوسطه بسیار مناسب است.
مواد مورد نیاز: یک آهنربای نئودیمیوم قوی (حلقهای)، یک سیم لاکی نازک (حدود ۱ متر)، یک باتری کتابی 9V، یک تکه چوب بستنی، چسب و قیچی.
روش ساخت:
- سیم لاکی را به دور چوب بستنی بپیچید تا یک سیمپیچ با حدود ۵۰ دور ایجاد شود. دو سر سیم را حدود 10 cm آزاد بگذارید.
- سیمپیچ را با چسب روی یک سطح ثابت کنید. آهنربا را دقیقاً روبروی مرکز سیمپیچ، با فاصلهای کم (۲ میلیمتر) قرار دهید. میتوانید آهنربا را با نخ آویزان کنید تا آزادانه حرکت کند.
- دو سر آزاد سیمپیچ را به قطبهای باتری کتابی وصل کنید. بلافاصله میبینید که آهنربا به سمت سیمپیچ جذب یا از آن دور میشود.
- اگر اتصال را به سرعت قطع و وصل کنید (مثلاً با مالش سرسیمها به قطب باتری)، آهنربا شروع به لرزش و نوسان خواهد کرد! شما یک نوسانساز ساختهاید. نیروی الکترومغناطیسی بین سیم حامل جریان و آهنربا، عامل این حرکت است.
پدیده رزونانس: وقتی نوسانساز و جسم همآواز میشوند
یک پدیده جالب مرتبط با نوسان، رزونانس4 یا تشدید است. اگر فرکانس نوسانساز با فرکانس طبیعی جسمی که در تماس با آن است، یکی باشد، دامنه نوسان آن جسم به شدت افزایش مییابد. تصور کنید به یک تاب، همزمان با فرکانس طبیعی خودش نیرو وارد کنید؛ هر بار بیشتر و بیشتر بالا میرود.
مثال خطرناک: در سال ۱۹۴۰، پل تاکوما5 در آمریکا به دلیل وزش باد با فرکانس نزدیک به فرکانس طبیعی پل، دچار رزونانس شد و پس از نوسانهای شدید فرو ریخت. امروزه مهندسان با استفاده از نوسانسازهای بزرگ، فرکانس طبیعی سازهها را قبل از ساخت آزمایش میکنند.
مثال مفید: در ماشین لباسشویی، اگر چرخش موتور با فرکانس طبیعی بدنه هماهنگ شود، لرزش شدیدی ایجاد میکند. برای جلوگیری از این، از سیستمهای میراگر و فنر استفاده میشود. برعکس، در برخی ابزارهای موسیقی از رزونانس برای تقویت صدا استفاده میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. نوسانساز منبع ایجادکنندهٔ نوسان است. مثلاً در گوشی همراه، موتور ویبره کوچک (نوسانساز) میلرزد و این لرزش را به بدنه گوشی (که خود نوسانساز نیست) منتقل میکند. لرزش زمینلرزه نیز نوسان است، اما زمین نوسانساز نیست؛ منبع آن حرکت صفحات زمینساختی است.
پاسخ: این دو اغلب اشتباه گرفته میشوند. نوسانساز، حرکت فیزیکی و مکانیکی ایجاد میکند (لرزش). اما سیگنالژنراتور، یک موج الکتریکی (مثلاً سینوسی یا مربعی) تولید میکند که خود ممکن است برای کنترل یک نوسانساز الکترومغناطیسی استفاده شود. به بیان ساده، خروجی نوسانساز حرکت است، خروجی سیگنالژنراتور ولتاژ متغیر است.
پاسخ: خیر. در دنیای واقعی به دلیل وجود اصطکاک و مقاومت هوا (عوامل میرایی6)، انرژی نوسان به تدریج به گرما تبدیل شده و نوسان میایستد. نوسانسازهای واقعی برای ادامه حرکت، نیاز به یک منبع انرژی خارجی دائمی (مانند برق یا موتور) دارند تا این اتلاف انرژی را جبران کنند.
پاورقی
1 نوسانساز (Vibration Generator)
2 دوره تناوب (Period)
3 فرکانس (Frequency)
4 رزونانس یا تشدید (Resonance)
5 پل تاکوما (Tacoma Narrows Bridge)
6 میرایی (Damping)
