Druga strona rezonansu

-- środa, 06 maj 2009

Wszyscy pragniemy, by nasze pomysły i prace „wchodziły w rezonans z innymi”. W inżynierii, rezonans ma głównie negatywne konotacje – to coś, czego należy unikać. Oczywiście, bez rezonansu nie byłoby radia, telewizji, muzyki czy huśtawek na placach zabaw, ale wzmianka o rezonansie zazwyczaj przywodzi na myśl jego ciemną stronę – może on spowodować, że most się zawali lub, że śmigłowiec rozleci się na kawałki. Rezonans, by mógł powstać, wymaga trzech rzeczy: systemu posiadającego częstotliwość drgań własnych, siły wymuszającej przykładanej z częstotliwością drgań własnych i będącej w fazie z prędkością oraz braku strat energii. Wyjrzyjmy poza ciemną stronę tego tajemniczego zjawiska fizycznego i określmy sposoby pozwalające na wykorzystanie rezonansu w celu osiągnięcia wydajności energetycznej – jest to wyzwanie, któremu wszyscy stawiamy czoła, pracując jako inżynierowie-mechatronicy. Na myśl przychodzą dwa przykłady.

Lustra oscylujące wykorzystywane są w ręcznych skanerach kodów paskowych do odbijania światła laserowego i odbierania światła odbitego od kodu (co przedstawiono na poniższym rysunku). Zużywają mniej energii, mają mniejszą masę, zajmują mniej miejsca i lepiej znoszą wstrząsy i uderzenia niż obracające się lustra wielokątne wykorzystywane w skanerach stacjonarnych. Ważne jest zmniejszenie energii potrzebnej do wprawiania luster w oscylacje z wymaganą częstotliwością i jednocześnie uzyskanie szerokiego kąta oscylacji. Aby osiągnąć te cele, system – zasadniczo układ wahadło torsyjne-masa-tłumik jest wprawiany w rezonans przez solenoid. Solenoid posiada dwie cewki: jedna wyczuwa częstotliwość oscylacji, a druga napędza układ. Sam układ nie posiada mechanizmu podatnego na awarie, nie wykorzystuje łożysk i z tego powodu nie występuje tarcie. Tak długo, jak naprężenia mechaniczne w giętkim elemencie systemu nie przekraczają pewnego progu, nie występują usterki spowodowane zmęczeniem materiału. Skutkiem takiej budowy urządzenia jest bardzo duża niezawodność.

Po drugi przykład zwróciłem się do mojego długoletniego współpracownika i przyjaciela, doktora Freda Stolfi, profesora me chatroniki na Columbia University w Nowym Jorku. Stolfi ma ponad 25-letnie doświadczenie w projektowaniu, które zdobył w firmach Smith Corona, Philips i Xerox, w związku z czym na wykładach demonstruje, w jaki sposób rozwiązywać spotykane w praktyce, multidyscyplinarne problemy związane z projektowaniem, koncentrując się na ogólnych technikach, które można stosować do szerokiego zakresu produktów. Podczas pracy w firmie Philips, Stolfi i jego zespół zaprojektował wykorzystującą obieg Stirlinga chłodziarkę niskotemperaturową dla Centrum Lotów Kosmicznych NASA im. Goddarda. Chłodziarka miała zostać zamontowana na satelicie. Aby zapewnić jej długi okres sprawności, zastosowano łożyska magnetyczne podtrzymujące ruchome wałki. Cykl Stirlinga składa się z dwóch elementów. Element wypierający przemieszcza gaz roboczy – hel z chłodzonej końcówki do części, w której następuje sprężanie. Gdy gaz znajduje się w części kompresyjnej, tłok spręża go i wydziela ciepło. Gdy gaz znajduje się w chłodzonej końcówce, tłok powoduje rozprężanie się gazu i pochłania ciepło. W ten sposób tłok i element wypierający oscylują z tą samą częstotliwością, ale przesunięte w fazie. Nominalna temperatura robocza zamrażarki wynosiła 65o K.

Lustro oscylujące w skanerze kodów paskowych.

By możliwe było uzyskanie wysokiej sprawności, jakiej wymagała obsługa satelity, tłok pracował z częstotliwością drgań własnych — w rezonansie. Masa tłoka rezonowała na sprężynie gazowej uformowanej przez kompresję gazu za pomocą czoła tłoka. W ten sposób liniowy silnik tłoka musiał tylko kompensować straty, ale nie musiał w każdym cyklu przyspieszać i spowalniać masy. Aby możliwe było sterowanie w pętli zamkniętej, tłok i element wypierający wykorzystywały różnicowe przetworniki przemieszczeń liniowych (linear vari able differential transformers - LVDT) do pomiaru położenia liniowego. W celu osiągnięcia rezonansu, częstotliwość cyklu była korygowana w pętli synchronizacji fazy, więc prędkość tłoka i siła działały w fazie. Druga pętla synchronizacji fazy służyła do kontroli elementu wypierającego względem tłoka.

Przy dzisiejszym kryzysie energetycznym, sprawność mechaniczna na Ziemi jest tak samo ważna, jak sprawność mechaniczna w satelicie. Podobne techniki można zastosować, by systemy znajdujące się na Ziemi zużywały do pracy mniej energii.