نوسانگر: سیستم انجامدهنده نوسان دورهای
نوسان چيست؟ از تاب خوردن تا ضربان قلب
تصور كنيد روی يك تاب نشستهايد و به جلو و عقب حركت میكنيد. اين حركت رفت و برگشتی منظم، يك نوسان ساده است. نوسانگر سيستمی است كه اين چنين نوسانهايی را توليد يا تجربه میكند. كليد درك نوسان، مفهوم تكرار و قانونمندی است. در طبيعت بسياری از پديدهها نوسانی هستند: حرکت برگ درختان در باد، جزر و مد دريا، و حتي ضربان منظم قلب شما. در همه اين موارد، يك حالت تعادل5 وجود دارد (مثل نقطهای كه تاب در آن آويزان است) و سيستم حول آن نقطه به طور پريوديك6 حركت میكند.
برای توصيف كمّی يك نوسان، از دو مفهوم بسيار مهم استفاده میكنيم:
بسامد (f): تعداد نوسانهای كامل در يك ثانيه. واحد آن هرتز7 (Hz) است. رابطه بين دوره و بسامد معكوس است: $ f = \frac{1}{T} $ و $ T = \frac{1}{f} $.
مثال: اگر آونگ يك ساعت قديمی در هر 2 ثانيه يك بار به چپ و راست برود، دوره نوسان آن T = 2 s و بسامد آن f = 0.5 Hz است. يعني در هر ثانيه نيم نوسان انجام میدهد.
انواع نوسانگرها: مكانیكی، الكتریكی و فراتر از آن
نوسانگرها را میتوان بر اساس چگونگی توليد نوسان و حوزه كاربردشان دستهبندی كرد. در ادامه با مهمترين انواع آن آشنا میشويم.
| نوع نوسانگر | مثال ساده | نيروی بازگرداننده8 | كاربرد مهم |
|---|---|---|---|
| مكانیكی | آونگ ساده، سیستم جرم و فنر | گرانش، نيروی الكاستيک فنر | ساعتهای قديمی، اندازهگيری زمان |
| الكتریكی | مدار LC (سلف و خازن) | تبادل انرژي بين ميدان مغناطيسی و الكتريكی | فرستندههای راديو، ساعتهای كوارتز |
| صوتی | سيم گيتار، ستون هوا در فلوت | كشش سيم، فشار هوا | سازهای موسيقی، توليد نتهای مختلف |
| الکترونیکی (فعال) | اسيلاتور كريستالي9 | تغذيه انرژي از منبع خارجی (باتری) | پردازنده كامپيوتر، همزمانی عمليات |
نوسانگر مكانیکی: سادهترين نوع، آونگ ساده است: يك وزنه كه به يك طناب يا ميله بدون وزن متصل است. اگر وزنه را كمی جابجا كنيم و رها كنيم، تحت تأثير نيروی گرانش به حركت نوسانی درمیآيد. نيروی گرانش در اينجا نقش نيروی بازگرداننده را ايفا میكند؛ يعنی هميشه سعی دارد جسم را به حالت تعادل اوليه برگرداند.
نوسانگر الكتریكی: در يك مدار ساده متشكل از يك سلف10 (قطعهای كه انرژي در ميدان مغناطيسی ذخيره میكند) و يك خازن11 (قطعهای كه انرژي در ميدان الكتريكی ذخيره میكند)، بار الكتريكی بين دو قطعه به طور متناوب جابجا میشود و جريان برق به جلو و عقب نوسان میكند. اين نوسان تا زمانی كه انرژي مدار به خاطر مقاومت12 هدر برود، ادامه میيابد.
از تئوری تا عمل: نوسانگرها چگونه جهان ما را منظم كردهاند؟
كاربرد نوسانگرها در زندگی مدرن آنقدر فراوان است كه تصور جهان بدون آنها غيرممكن است. بیائيد چند مثال عيني را با هم مرور كنيم:
۱. اندازهگيری زمان: قديمیترين كاربرد نوسانگرها، ساختن ساعت بود. ساعتهای آونگی از قانونمندی نوسان يك آونگ استفاده میكردند. هر نوسان آونگ زمان ثابتی میگرفت و با شمردن تعداد اين نوسانها، زمان اندازهگيری میشد. در ساعتهای امروزی، از كريستال كوارتز استفاده میشود. وقتی به اين كريستال ولتاژ برق اعمال شود، با بسامد بسيار ثابتی مرتعش میشود (32768 بار در ثانيه!). مدارهای الكترونیکی اين نوسانها را میشمارند و زمان را نشان میدهند. ثبات زمانی نوسانگر كوارتز باعث دقت فوقالعاده ساعتهای امروزی شده است.
۲. توليد صدا و موسيقی: وقتی سيم گيتار را میكنيد، سيم به لرزش درمیآيد و هوا را نوسان میدهد. اين نوسانهاي هوا كه به گوش ما میرسند، صدا توليد میكنند. هر چه سيم كوتاهتر، سفتتر يا نازكتر باشد، بسامد نوسان آن بيشتر و صدای حاصل زيرتر (مثلاً نت «می») است. در سازهای بادی مانند فلوت، نوسان ستون هوا داخل ساز توليد صدا میكند. يك نوسانگر الكترونیکی به نام سینتسایزر13 هم میتواند با توليد سيگنالهای الكتریكی با بسامدهای مختلف، نتهای موسيقی را شبيهسازی كند.
۳. ارتباطات راديوئی: چگونه يك ايستگاه راديو با بسامد مشخص مثلاً 98.5 MHz برنامه پخش میكند؟ قلب فرستنده راديو، يك نوسانگر الكترونیکی بسيار دقيق است كه سيگنالی با همين بسامد ثابت توليد میكند. اطلاعات صوتی بر روی اين سيگنال نوسانی «سوار» میشوند و به فضا ارسال میگردند. راديوهای گيرنده هم میتوانند با تنظيم خود بر روی همين بسامد، همان ايستگاه را دريافت كنند. بدون نوسانگرهای پايدار، سيستمهاي ارتباطی مدرن مانند تلفن همراه، وایفای و جیپیاس14 كار نمیكردند.
۴. پزشکی و زيستشناسی: بدن انسان نيز مملو از نوسانگرهای طبيعی است. واضحترين مثال، ضربان قلب است كه انقباض منظم ماهيچه قلب را تنظيم میكند. چرخه خواب و بيداری (ريتم سيركادين15) نيز يك نوسان زيستشناختی با دورهای نزديك به 24 ساعت است. اختلال در اين نوسانگرهای درونی میتواند باعث بيماری شود.
اشتباهات رايج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 نوسانگر (Oscillator)
2 نوسان (Oscillation)
3 دوره (Period)
4 بسامد يا فركانس (Frequency)
5 حالت تعادل (Equilibrium Position)
6 پريوديك (Periodic) يا دورهای
7 هرتز (Hertz): واحد بسامد، به نام هانريش هرتز فيزيكدان آلمانی.
8 نيروی بازگرداننده (Restoring Force): نيرويی كه هميشه جسم نوسانگر را به سمت نقطه تعادل ميراند.
9 اسيلاتور كريستالی (Crystal Oscillator)
10 سلف (Inductor)
11 خازن (Capacitor)
12 مقاومت (Resistance)
13 سینتسایزر (Synthesizer)
14 جیپیاس (GPS: Global Positioning System) سامانه موقعيتياب جهانی.
15 ريتم سيركادين (Circadian Rhythm)
16 اصطكاك (Friction)
17 دامنه (Amplitude): بيشترين جابجايی از نقطه تعادل.
18 نوسان میرا (Damped Oscillation)
