Введение

Влияние на колеблющуюся физическую систему, которое уменьшает или предотвращает ее колебания. Демпфирование в колебательных системах.

В физических системах демпфирование – это потеря энергии колеблющейся системы вследствие диссипации. Демпфирование – это влияние внутри или на колебательную систему, которое приводит к уменьшению или прекращению ее колебаний. Примеры демпфирования включают вязкое демпфирование в жидкости (см. вязкое сопротивление), трение поверхности, излучение (например, подвеска (механика)). Демпфирование не следует путать с трением, которое является типом диссипативной силы, действующей на систему. Трением могут быть вызваны или способствовать демпфированию. Коэффициент демпфирования – это безразмерная величина, описывающая, как затухают колебания в системе после воздействия. Многие системы демонстрируют колебательное поведение при отклонении от положения статического равновесия. Например, масса, подвешенная на пружине, при растяжении и отпускании может совершать возвратно-поступательные движения. При каждом колебании система стремится вернуться в положение равновесия, но переходит его. Иногда потери энергии (например, на трение) демпфируют систему и могут привести к постепенному уменьшению амплитуды колебаний до нуля или к их затуханию. Коэффициент демпфирования – это мера, описывающая скорость затухания колебаний от одного цикла к другому. Коэффициент демпфирования является параметром системы, обозначаемым ζ ("дзета"), который может изменяться от случая отсутствия демпфирования (ζ = 0) до слабого демпфирования (ζ < 1), критического демпфирования (ζ = 1) и сильного демпфирования (ζ > 1). Поведение колебательных систем часто представляет интерес для различных областей, таких как управление, химическая инженерия, машиностроение, строительная механика и электротехника. Физическая величина, совершающая колебания, может быть различной – от раскачивания высокого здания на ветру до скорости вращения электродвигателя, однако нормализованный или безразмерный подход может быть удобен для описания общих закономерностей поведения.

Случаи колебаний

В зависимости от величины демпфирования, система проявляет различные колебательные характеристики и скорость. Если система "масса-пружина" полностью не имеет потерь, масса будет колебаться бесконечно, при этом каждый отскок будет иметь ту же высоту, что и предыдущий. Этот гипотетический случай называется незатухающим. Если система имеет большие потери, например, если эксперимент с пружиной и массой проводится в вязкой жидкости, масса может медленно вернуться в положение равновесия, не совершая перерегулирования. Этот случай называется передемпфированным. Чаще всего масса стремится перескочить начальное положение, а затем вернуться, снова перескакивая. При каждом перескакивании часть энергии в системе рассеивается, и колебания затухают до нуля. Этот случай называется недодемпфированным. Между передемпфированным и недодемпфированным случаями существует определенный уровень демпфирования, при котором система лишь не достигнет перерегулирования и не совершит ни одного колебания. Этот случай называется критическим демпфированием. Ключевое различие между критическим демпфированием и передемпфированием заключается в том, что при критическом демпфировании система возвращается в равновесие за минимальное время.

Вязкая тяга

Когда объект падает в воздухе, единственной силой, противодействующей его свободному падению, является сопротивление воздуха. Объект, падающий в воде или масле, замедляется быстрее, пока в конечном итоге не достигнет установившейся скорости, когда сила сопротивления уравновешивается силой тяжести. Это и есть концепция вязкого трения, которая, например, используется в автоматических и дверях с доводчиками.

Ослабление в электрических системах

Электрические системы, работающие с переменным током (AC), используют резисторы для гашения колебаний электрического тока, поскольку он периодичен. Диммеры или регуляторы громкости являются примерами гашения в электрической системе. Иными словами, сопротивление, создаваемое магнитными силами, замедляет систему. Примером применения этого принципа служат тормоза на американских горках. Магнитореологические демпферы (MR-демпферы) используют магнитореологическую жидкость, изменяющую вязкость под воздействием магнитного поля. В этом случае магнитореологическое демпфирование можно рассматривать как междисциплинарную форму демпфирования, сочетающую в себе вязкий и магнитный механизмы гашения.