مضخم ميكانيكي

تمتلك جميع الأنظمة الاهتزازية الميكانيكية ترددًا طبيعيًا f _n ، والذي يتم تقديمه على النحو التالي في أبسط أشكاله.

${\displaystyle f_{n}={1 \over 2\pi }{\sqrt {k \over m}}}$

عند تطبيق قوة خارجية مباشرة (موازية لمستوى الإزاحة التذبذبية) على النظام حول تردده الطبيعي، يُمكن الوصول إلى نمط الرنين الأساسي . عادةً ما تكون سعة التذبذب خارج نطاق التردد هذا أصغر من ذروة الرنين وسعة الإدخال. تعتمد سعة ذروة الرنين وعرض نطاق الرنين على ظروف التخميد ، ويتم تحديدهما بواسطة عامل الجودة (Q) عديم الأبعاد . عادةً ما يتم تحفيز أنماط الرنين الأعلى وأنماط الرنين في مستويات مختلفة (مستعرضة، جانبية، دورانية، وانحنائية) عند ترددات أعلى. يعتمد نطاق التردد المحدد لهذه الأنماط على طبيعة وشروط حدود كل نظام ميكانيكي. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أيضًا تحفيز التوافقيات الفرعية، والتوافقيات الفائقة، والتوافقيات الفرعية الفائقة لكل نمط عند شروط الحدود المناسبة. ^{[ 7 ]}

"كنموذج لجهاز كشف، نلاحظ أنه إذا علّقنا ثقلاً على نابض ثم حركنا الطرف العلوي للنابض لأعلى ولأسفل، فإن سعة حركة الثقل ستكون أكبر بكثير من سعة الحركة المحركة إذا كنا عند تردد الرنين لمجموعة الكتلة والنابض. إنه في الأساس مضخم ميكانيكي، ويُعد خيارًا جيدًا لجهاز كشف حساس." ^{[ 8 ]}

الرنين البارامتري هو ظاهرة فيزيائية يحدث فيها تأثير إثارة خارجية، بتردد محدد وعادةً ما تكون عمودية على مستوى الإزاحة، مما يُحدث تعديلًا دوريًا في أحد معلمات النظام، وينتج عنه زيادة في سعة التذبذب. ويخضع هذا الرنين لمعادلة ماثيو . وفيما يلي معادلة ماثيو المخمدة.

${\displaystyle {\ddot {x}}+c{\dot {x}}+[\delta -2\varepsilon \cos {2t}]x=0}$

حيث δ هو مربع التردد الطبيعي و ε هو سعة الإثارة البارامترية.

يتحقق الرنين البارامتري من الرتبة الأولى، أو الرنين البارامتري الرئيسي، عندما يكون تردد الإثارة ضعف التردد الطبيعي للنظام. وتُلاحظ رتب الرنين البارامتري الأعلى عند التردد الطبيعي أو مضاعفاته. في حالة الرنين المباشر، يتطابق تردد الاستجابة دائمًا مع تردد الإثارة. ومع ذلك، وبغض النظر عن رتبة الرنين البارامتري المُفعّلة، فإن تردد الاستجابة يكون دائمًا قريبًا من التردد الطبيعي. ^{[ 9 ]} يتميز الرنين البارامتري بقدرته على إظهار تضخيم ميكانيكي أعلى من الرنين المباشر عند التشغيل في ظروف مواتية، ولكنه عادةً ما يستغرق وقتًا أطول في مرحلة التأسيس/ الانتقال . ^{[ 10 ]}

"يوفر الرنان البارامتري أداة مفيدة للغاية تم تطويرها من قبل عدد من الباحثين، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الرنان البارامتري يمكن أن يعمل كمضخم ميكانيكي، عبر نطاق ضيق من الترددات." ^{[ 11 ]}

توجد وسائل أخرى لتحسين الإشارة، قابلة للتطبيق في المجالين الميكانيكي والكهربائي. تشمل هذه الوسائل نظرية الفوضى ، والرنين العشوائي ، والعديد من الظواهر غير الخطية أو الاهتزازية الأخرى. لا يتم توليد طاقة جديدة. مع ذلك، من خلال التضخيم الميكانيكي، يمكن استخدام جزء أكبر من طيف القدرة المتاح بكفاءة مثلى بدلاً من تبديده.

يمكن استخدام الرافعة لتغيير مقدار إشارة ميكانيكية معينة، مثل القوة أو الإزاحة. ^{[ 1 ]} وتُستخدم الروافع على نطاق واسع كمضخمات ميكانيكية في المشغلات والمولدات. ^{[ 12 ]}

هي آلية تتكون عادةً من عارضة/قضيب صلب مثبت حول محور ارتكاز. وتكون الروافع متوازنة عندما يكون هناك توازن في العزم أو عزم الدوران حول محور الارتكاز. توجد ثلاثة تصنيفات رئيسية ، اعتمادًا على موضع محور الارتكاز وقوى الإدخال والإخراج. ويخضع المبدأ الأساسي لآلية الرافعة للنسبة التالية، والتي يعود تاريخها إلى أرخميدس .

${\displaystyle {\frac {F_{B}}{F_{A}}}={\frac {a}{b}}}$

حيث F _A هي قوة تؤثر على النقطة A على عارضة الرافعة الصلبة، و F _B هي قوة تؤثر على النقطة B على عارضة الرافعة الصلبة، و a و b هما المسافتان على التوالي من النقطتين A و B إلى نقطة الارتكاز.

إذا كانت F _B هي قوة الخرج و F _A هي قوة الدخل، فإن الميزة الميكانيكية MA تُعطى بنسبة قوة الخرج إلى قوة الدخل.

${\displaystyle MA={\frac {F_{B}}{F_{A}}}}$

تتكون سلاسل التروس ^{[ 13 ]} عادةً من تعشيق ترسين أو أكثر على إطار لتشكيل ناقل حركة . ويمكن لهذا الناقل توفير الحركة الانتقالية (الخطية) أو الدورانية ، بالإضافة إلى تغيير الإزاحة والسرعة والتسارع والاتجاه وعزم الدوران ميكانيكيًا ، وذلك اعتمادًا على نوع التروس المستخدمة وتكوين ناقل الحركة ونسبة التروس .

تُعطى الميزة الميكانيكية لمجموعة التروس بنسبة عزم الدوران الناتج T _B وعزم الدوران المدخل T _A ، وهي أيضًا نفس نسبة عدد أسنان ترس الإخراج N B _وعدد أسنان ترس الإدخال N _A.

${\displaystyle MA={\frac {T_{B}}{T_{A}}}={\frac {N_{B}}{N_{A}}}.}$

لذلك، يمكن تضخيم عزم الدوران إذا كان عدد أسنان ترس الإخراج أكبر من عدد أسنان ترس الإدخال.

ترتبط نسبة عدد أسنان التروس أيضًا بسرعات التروس ω _A و ω _B على النحو التالي.

${\displaystyle {\frac {T_{A}}{T_{B}}}={\frac {\omega _{B}}{\omega _{A}}}.}$

لذلك، إذا كان عدد أسنان ترس الإخراج أقل من عدد أسنان ترس الإدخال، فإن سرعة الإخراج تتضخم.

يمكن أيضًا تضخيم الكميات الميكانيكية المذكورة أعلاه و/أو تحويلها إما من خلال مزيج مما سبق أو من خلال تكرارات أخرى لأنظمة النقل الميكانيكية، مثل أعمدة الكرنك ، والكامات ، ومضخمات عزم الدوران ، والرافعات الهيدروليكية ، والمقارنات الميكانيكية مثل Johansson Mikrokator وغيرها الكثير.