Sistema autoscilante
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Un sistema autoscilante realiza oscilaciones a expensas de la acción de una fuente de energía que no posee propiedades oscilatorias, difundidas en la naturaleza y en la técnica.
Sumario
Sistema autooscilante
Las oscilaciones del péndulo de resorte se amortiguan a causa del rozamiento, pero si se compensan sistemáticamente las pérdidas de energía, las oscilaciones dejan de amortiguarse. Como ejemplo, consideremos el mecanismo de producción de oscilaciones entretenidas en el dispositivo
Una laminilla flexible, que va sujeta al peso, toca periódicamente el contacto y cierra el circuito del electroimán por cierto tiempo. Durante este tiempo el electroimán atrae el peso y hace que aumente su energía cinética. De este modo, en cada período las pérdidas de energía debidas al rozamiento se compensan con el trabajo de la fuerza de atracción que sobre l peso ejerce el electroimán, y el funcionamiento de este último está regido, mediante el contacto interruptor, por el mismo cuerpo que oscila. Este dispositivo es el representante típico de una clase muy difundida de sistemas oscilantes que realizan oscilaciones entretenidas a expensas de la acción de una fuente de energía que no posee propiedades oscilatorias. Estos sistemas se llaman autooscilantes.
Todo sistema autooscilante consta de las cuatro partes:
a) un sistema oscilante.
b) una fuente de energía, a expensas de la cual se compensan las pérdidas (en el ejemplo, la fuente de corriente).
c) una válvula, es decir, un órgano que regula el suministro de energía al sistema oscilante en porciones determinadas y en el instante preciso en el ejemplo, el contacto interruptor).
d) una reacción, muy característica de todos los sistemas autooscilantes, que consiste en la acción contraria del sistema oscilante sobre la válvula, o sea, en el gobierno del funcionamiento de la válvula a expensas de los procesos que tienen lugar en el propio sistema oscilante (en los dispositivo la reacción se efectúa por medio del electroimán, que atrae el peso y con ello abre el contacto).
Las autooscilaciones están muy difundidas en: la naturaleza y en la técnica. Son sistemas autooscilantes los timbres eléctricos, los zumbadores, las máquinas de vapor y los motores de combustión interna, los martillos de picar, etc. Realizan autooscilaciones las cuerdas bajo la acción del arco (violín, violonchelo), las columnas de aire en los tubos (instrumentos musicales de viento), las lengüetas en las armónicas (acordeones) y las cuerdas bucales al hablar o cantar. Hay que advertir que en muchos sistemas autooscilantes el mecanismo de reacción está oculto y dividir el sistema en sus partes principales es a veces muy difícil. Para el funcionamiento de un sistema autooscilante desempeña un papel primordial la elección de la fase de la reacción.
Es necesario que, durante el intervalo de tiempo en que la fuerza actúa sobre el sistema, coincidan las direcciones de la fuerza y de la velocidad. En estas condiciones la fuente de energía realiza sobre el sistema oscilante un trabajo positivo, es decir, le comunica energía. Si la dirección de la fuerza es distinta de la dirección de la velocidad, el trabajo será negativo, la fuente absorberá energía del sistema oscilante y, con esto, reforzará el amortiguamiento.
En el primer caso se dice que en el sistema actúa una reacción positiva, en el segundo, una reacción negativa. La reacción positiva se utiliza para excitar las autooscilaciones; la negativa, para suprimir las autooscilaciones indeseables allí donde no hacen falta.
En el dispositivo está asegurada la reacción positiva, por lo que en él se excitan y mantienen las autooscilaciones entretenidas. Si el contacto se colocara a la izquierda de la laminilla, el peso sería atraído por el electroimán y se pararía. e incluso si el sistema so obligara a oscilar, sus oscilaciones se amortiguarían pronto, es decir, con mucha más rapidez que en ausencia del electroimán. Así, pues, la introducción en el sistema de la reacción negativa hace que se interrumpan las autooscilaciones y suprimen las oscilaciones libres.
El reloj
Un reloj es un sistema autooscilante se representa un mecanismo de reloj con escape de áncora. La rueda de escape o rueda catalina, de dientes oblicuos, está unida rígidamente al tambor dentado en que se apoya la cadena con la pesa. Al extremo superior del péndulo va sujeta el áncora con sus dos uñas, que son dos plaquitas de rubí o de otro material duro, curvadas en forma de arcos de circunferencia con centro en el eje del péndulo.
En los relojes de bolsillo, en vez de pesa, se utiliza un muelle espiral (muelle real) y, en vez del péndulo, un balancín o volante sujeto a otro muelle espiral (pelo); el balancín realiza oscilaciones torsionales alrededor de su eje. El sistema oscilatorio es el péndulo o el balancín; la fuente de energía, la pesa elevada o el muelle tenso; la válvula es el áncora, que permite que la rueda de escape gire un diente cada Semiperíodo, y la reacción se produce durante la interacción del áncora con la rueda de escape.
En los instantes en que el péndulo pasa por la posición de equilibrio y tiene la velocidad máxima, un diente de la rueda de escape entre en breve contacto con el extremo de una de las uñas. El diente, al rozar con la uña, empuja el péndulo, es decir, le comunica energía en forma de impulso. Al mismo tiempo la pesa desciende un eslabón de la cadena. Así la energía potencial do la pesa (o del muelle real) se va transmitiendo al péndulo y compensa la pérdida por rozamiento.
Generador de tubo termoiónico
Montemos un circuito eléctrico y conectémoslo con la entrada de un oscilógrafo catódico. Cuando se cierra el interruptor se producen en el circuito oscilaciones entretenidas, circuito oscilaciones entretenidas, como puede verse en la pantalla del oscilógrafo.
Este dispositivo se llama generador de tubo termoiónico, de oscilaciones eléctricas entretenidas y es un sistema auto- oscilante eléctrico. Aquí la fuente de energía es una batería anódica; el sistema oscilante, el circuito oscilante introducido en el circuito de placa; el papel de válvula lo desempeña la rejilla del tríodo, que controla la magnitud de la corriente anódica y la bobina de reacción, unida por sus extremos con el cátodo y la rejilla del tríodo y por inducción, con la bobina del circuito oscilante, ejerce el control de la reacción del sistema oscilatorio sobre la válvula.
Suele ocurrir que cuando se cierra el circuito no se producen oscilaciones. Pero si los extremos de la bobina de reacción se sueldan al contrario, las oscilaciones se producen inmediatamente. Esto significa que en primer caso la fase de la reacción se eligió mal.
Autoexitacion de las autooscilaciones
Conectemos el barrido lento del oscilógrafo al mismo tiempo que cerramos el circuito oscilante en el generador de tubo termoiónico
El oscilograma que se obtiene en estas condiciones, el circuito oscilante se autoexcita, es decir, cuando se conecta la fuente de energía, la amplitud de las oscilaciones crece desde cero hasta una magnitud estacionaria. La autoexcitación, también llamada «intensificación» de las oscilaciones, es una de las peculiaridades más importantes de todo sistema autooscilante. El mecanismo de la autoexcitación del generador de tubo termoiónico es el siguiente:
Las oscilaciones débiles de la corriente que se producen en el circuito oscilante al cerrar el circuito de placa, van acompañadas de una variación del campo magnético en la bobina del primero. A expensas de la variación del flujo magnético se induce f.e.m. en la bobina de reacción y el potencial de la rejilla se hace unas veces mayor y otras menor que el potencial del cátodo.
Las oscilaciones del potencial de la rejilla van acompañadas a su vez de la variación de la corriente en el circuito de placa, lo que, si la fase de la reacción ha sido bien elegida, hace que se intensifiquen las oscilaciones en el circuito oscilante. Este proceso hace por su parte que aumenten las oscilaciones del potencial de la rejilla, con lo cual vuelven a intensificarse las oscilaciones en el circuito oscilante.
El generador de tubo termoiónico cesa la «intensificación» a causa de que la característica del triodo no es lineal. la corriente en el circuito de placa aumentará la medida que aumenta el potencial de la rejilla, únicamente en la parte lineal de la curva característica; precisamente en esta región es donde se observa el proceso de crecimiento de las amplitudes do las oscilaciones. A partir del instante en que la corriente en el tubo se aproxima a la corriente de saturación, el crecimiento de las autooscilaciones cesa. Se puede demostrar que en todo sistema autooscilante existe necesariamente un elemento no lineal cualquiera. En un sistema lineal son imposibles las autooscílaciones estacionarias.
Fuente
- Yavorski, B. M.; y Pinski, A. A. (1983): Fundamentos de Física II: Oscilaciones y ondas (págs. 42-43). Moscú: Editorial Mir, 1983.
