Способ пилообразных механических колебаний Советский патент 1944 года по МПК H03K4/08 G03B41/12 

В кинотехнике для непрерывной проекции кинофильмов (без мальтийского креста), в механическом телевидении и в некоторых других случаях актуальной задачей является получение механических колебаний пилообразной формы. Такого рода колебания пытаются обычно получить воздействием на механическую систему некоторой изменяющейся по пилообразному закону силы, причём инерция механической системы препятствует ей следовать за пилообразно изменяющейся силой, в результате чего форма колебаний механической системы отличается от пилообразной и тем более резко, чем больше частота этих колебаний и чем больше масса механической системы и её размеры.

Этим способом практически удаётся получать пилообразные колебания только маленьких лёгких телзеркал и то с небольшой частотой, при которой упругая сила значительно превышает силу инерции.

Настоящим изобретением предлагается такой способ возбуждения пилообразных колебаний механических систем, при котором масса системы и её инерция не только не искажала бы формы колебаний, но, наоборот, являлась бы основным актором, определяющим пилообразную форму колебаний, причём упругость и трение системы должны быть очень малы или равны нулю, а длительность импульсов силы, поочерёдно прикладываемых к механической системе в противоположных направлениях, должна быть зиачительно меньше периода колебаний.

Дальнейшее описание поясняется прилагаемым чертежом, на котором фиг. 1 и 2 представляют в двух проекциях пластинку, приводимую в колебания импульсами, представленными на фиг. 3, а фиг. 4 представляет механизм для coздaJ ния импульсов силы, возбуждаемый изображённым на фиг. 5 генератором электрических импульсов, форма которых приведена на фиг. 6.

Если системе, обладающей некоторым моментом инерции относительно оси, в которой она закреплена, придать некоторый импульс силы, то, как известно, она приобретёт некоторЗЮ угловую скорость, определяемую согласно известному закону моментов количества двиг г жения по формуле - - | - f-i

I-момен ин. рции относительно оси, 00-угловая скорость. гР-момент действующей силы, it - время действия силы.

Если упругостью и трением в системе можно пренебречь, то приобретённая скорость будет сохраняться до тех пор, пока новая сила её не изменит. Если эта новая сила будет противоположна по направлению предыдущей и равна ей по величине, то система придёт в,пилообразное колебательное движение.

Рассмотрим движение изображённой на фиг. 1 пластинки, представляющей собой параллелепипед с больщими сторонами а, Ь и малой стороной с, укреплённой на оси О, проходящей через его центр тяжести параллельно одной из больщих

сторон а.

Если в начальный момент времени к одной из сторон а пластинки, в начале неподвижной, будет кратковременно приложена некоторая сила F, действующая в течение некоторого малого промежутка времени t в направлении, указанном ва фиг. 2, то пластинка начнёт вращаться вокруг своей оси в том же направлении с угловой скоростью

t, где Ь- длина стороны Ъ

Ь-г

пластинки, i - момент инерции относительно оси О, параллельной стороне а, равный, как известно.

1 i м (ь + с2),

где М - масса параллелепипеда, Ъ и с - длины сторон пластинки, пepпeндикyv яpныx оси.

Если никакого трения и упругой силы, препятствующих движению, нет, то пластинка, после приложения импульса силы, будет вращаться с постоянной угловой скоростью « до тех пор, пока новая сила не изменит этой скорости.

Если по оси абсцисс откладывать время, а по оси ординат угол , то движение пластинки изобразится прямой, наклон которой равен угловой скорости ш, как это Представлено на фиг. 3. На той же фигуре изображён импульс силы F, направленной вверх. Если в некоторый момент времени ti к той же стороне а или к другой стороне ai пластинки будет приложен новый импульс силы FI, такой же кратковременный, но имеющий противоположное направление (на фиг. . обозначен направленным вниз), то в случае, если этот импульс будет больще предыдущего, пластинка начнёт вращаться в обратном направлении, возвращаясь к своему первоначальному положению, с

угловой скоростью Mj -™- - до тех пор, пока в момент времени ts не вернётся к своему начальному положению так, как это показано на фиг. 3. Легко показать, что если в момент времени t2 к пластинке опять приложить той же длительности импульс силы того же направления, что и первоначальная сила F, но по величине своей равный импульсу силы FI, то пластинка изменит снова направление своего вращения и начнёт вращаться в первоначальном направлении с прежней угловой скоростью ш, как это показано на фиг. 3.

Действительно, если выражение для скорости О), сложить с выражением для приращения скорости,, вызванного импульсом силы Fi, bhi

Да) - , ТО получим выраже i 1

ние, равное по своей величине первоначальной угловой скорости

bt- 2ГЕсли по истечении времени, равного ti, в момент г снова приложить к пластинке импульс силы, равной FI, направленный противоположно, то пластинка снова начнёт возвращаться к начальному положению со скоростью ( и т. д.

Повторяя таким образом периодически импульсы силы FI, направленные в одну сторону, и импульсы силы FI, направленные в противоположную сторону, с периодом, равным ta, и со сдвигом по времени между противоположно направленными импульсами, равным t - tt, получим пилообразное колебание пластинки с периодом колебаний, равным ta, временем прямого хода, равным ti, и временем обратного хода, равным t2 - ti.

В наших рассуждениях мы пренебрегали временем : действия силы по сравнению со временем прямого и обратного хода пилы. В действительности, благодаря конечной величине времеии действия импульса силы, пила при переходах с прямого хода на обратный и с обратного хода на прямой закруглится в пределах времени действия импульса силы.

Амплитуда колебаний определяется по формуле ffi Fi - .

21 2 ti - ь

и при очень малой величине обратного хода эта формула может быть приближённо представлена в

b виде FI j (t2 - ti)Как мы видим, в выражения для амплитуды колебаний входит только величина импульса силы Fi, но не входит вовсе величина начального импульса силы F. Величина этого начального импульса должна всё же быть вполне определённой и

to - М

равной F-: --.

bt,

Если начальный импульс будет больше или меньше вышеуказанного, то на пилообразное колебание пластинки будет накладываться некоторое равномерное вращение, соответствующее разностному импульсу силы.

Импульсы сил FI в начале и в конце обратного хода должны быть, как мы уже упоминали, противопо.ложны по направлению и одинаковы по величине.

Если один из импульсов будет несколько больше или меньше другого, то это приведёт к тому, что на пилообразное колебание пластинки будет накладываться непрерывно всё ускоряющееся вращение, соответствующее некоторым периодически повторяющимся импульсам, направленным в сторону большего импульса и равным по своей величине разности между больщишим и меньшим импульсом.

Для получения чистых пилообразных колебаний необходимо, таким образом, точное соблюдение равенства противоположно направленных импульсов силы и вполне определённой величины начального импульса силы.

Очевидно, чистые стабильные пилообразные колебания не могут быть получены без наличия некоторого процесса, автоматически приводящего к соблюдению точного равенства противоположно направленных импульсов FI и к уничтожению равномерного вращения, вызванного разностью между величиной существовавщего и действительного первоначального импульса и его долженствующей величино .

Такой процесс возникнет в том случае, если движение пластинки под влиянием импульса силы будет приводить к уменьшению этого импульса силы.

Это может быть осуществлено или специально устроенным для этого механизмом, или же может быть свойством самого механизма, вызывающего импульсы силы.

Рассмотрим последний случай, когда сам механизм, вызывающий импульс силы, приводит к уменьшению этого импульса под влиянием перемещения пластинки, вызванного этим же импульсом.

В качестве такого механизма можно использовать, например, взаимодействия между одноименными магнитными полюсами, как это представлено на фиг. 4.

Если пластинка будет укреплена в рамке, составленной из двух электромагнитов А и В, расположенных параллельно оси О и находящихся под воздействием двух других электромагнитов Ai и Bi, то, пропуская через обмотки электромагнитов А и AI импульс тока в таком направлении, чтобы друг против друга оказались одноименные полюсы электромагнитов, мы получим импульс силы отталкивания, под влиянием которого пластинка начнёт вращаться по часовой стрелке, причём сила отталкивания будет падать, так как в результате перемещения пластинки одноименные полюсы электромагнитов А и AI будут отдаляться друг от друга.

Пропуская такие же импульсы тока через обмотки электромагнитов В и Bi, мы получим импульс силы отталкивания, под влиянием которого пластинка будет вращаться против часовой стрелки, причём эта сила отталкивания также будет падать с перемещением пластинки. Пропуская периодически эти импульсы тока в одну и в другую пару электромагнитов с некоторым сдвигом по фазе, мы получим чистые стабильные пилообразные колебания пластинки с периодом, равным периоду подаваемых в электромагниты импульсов, с обратным ходом, равным сдвигу фазы между нмпульсами, подаваемыми в одну и в другую пару электромагнитов.

Рассмотрим процесс установления этих стабильных пилообразных колебаний. Пусть величина начального импульса силы, подаваемого со стороны пары электромагнитов А, А, имеет больщее значение, чем это необходимо для получения чистых пилообразных колебаний, вследствие чего, как мы видели, пластинка приобретает некоторую дополнительную скорость. Из-за этой скорости в начале следующего колебания пластинки электромагнит А окажется на больщем расстоянии от электромагнита Ai, чем в начальный момент, а в конце следующего колебания электромагнит В окажется на меньшем расстоянии от электромагнита Bi, чем в конце первого колебания. Таким образом периодически повторяющиеся импульсы силы от пары электромагнитов А, Ai уменьшатся, а от пары электромагнитов B,Bi увеличатся. Это создаст некоторый вращающий момент, направленный противоположно приобретённой в начальный момент дополнительной скорости. Этот вращающий момент по истечении некоторого числа колебаний полностью скомпенсирует вращение, наложенное в начальный момент на пилообразное колебание, причём разность величин противоположно направленных импульсов от электромагнитов A,Ai и B,Bi будет также постепенно сводиться к нулю.

Если эти импульсы в самом начале отличались друг от друга по своей величине, то и в этом случае после некоторого числа колебании величины их сравняются благодаря тому, что полученный из-за этой разности вращающий момент и приобретённое вращение пластинки будут всегда приводить к тому, что к следующему колебанию больщий импульс уменьшится, а меньший увеличится.

В зависимости от величин импульсов тока, подаваемых в пары электромагнитов A,Ai и B,Bi, будет определяться среднее положение колеблющейся пластинки, при котором величины импульсов силы от пары электромагнитов A,Ai и пары B,Bi одинаковы. Величиной этих одинаковых импульсов будет определяться по приведенным выше формулам амплитуда колебаний.

Если начальный импульс будет слишком велик, то при установлении колебаний возможно дребезжание пластинки (удары электромагнитов A,Ai и B,Bi). Во избежание этих ударов при установлении колебаний необходимо, чтобы импульсы тока при запуске колебаний возрастали постепенно до своей нормальной величины. Это может быть легко обеспечено обычными ламповыми устройствами с использованием для этого, например, тепловой инерции катода электронной лампы. Ламповое устройство для питания электромагнитов периодическими импульсами может быть устроено по схеме, представленной на фиг. 5.

Здесь М представляет собой несимметричный мультивибратор, генерирующий импульсы прямоугольной формы. хЭти импульсы, усиливаясь лампою Лз с большим внутренним сопротивлением, образуют на первичной обмотке трансформатора диференцированный импульс, имеюший форму, представленную на фиг. 6, где изображены рядом прямоугольный и диференцированный импульсы.

Диференцированный импульс посредством вторичной обмотки трансформатора подаётся на сетки усилительных ламп УьУг в противоположных фазах, причём на сетки этих ламп подаётся соответствующее отрицательное смещение, запирающее лампу для одного из пиков диференцированного импульса, так что анодный ток первой лампы определяется одним, например, верхним пиком диференцированного импульса, а ток второй лампы другим - нижним пиком.

Если в анодную цепь одной лампы включить обмотки электромагнитов А и AI, соединённые таким образом, чтобы друг против друга находились их одноименные полюсы, а в анодную цепь другой лампы включить таким же образом обмотки электромагнита В и Bi, то мы получим необходимые нам периодические импульсы силы.

Амплитуду и частоту этих импульсов можно легко регулировать величиной и частотой прямоугольных импульсов мультивибратора. Величина обратного хода пилообразных колебаний определяется шириной прямоугольных импульсов мультивибратора.

Для создания импульсов силы может быть использовано и электродинамическое взаимодействие, например, катушки, укреплённой на оси пластинки, с постоянным магнитным полем, причём для создания зависимости силы взаимодействия от перемещения пластинки, необходимой для стабилизации колебаний, можно постоянное магнитное поле сделать неравномерным.

Если внещнюю сторону вышеописанной пластинки сделать зеркальной или прикрепить к ней зеркало, то мы получим колеблющееся по пилообразному закону зеркало.

Таким же образом можно получать не только колеблющееся по пилообразному закону зеркало, но

и другие колеблющиеся по пилообразному закону тела, как-то призмы, объективы и т. д., посредством которых можно технически просто рещать указанные в начале описания задачи кинотехники и телевидения.

Предмет изобретения

1.Способ приведения механической системы в колебательное движение путём поочерёдного приложения к этой системе противоположно направленных импульсов силы, например, для осуществления механической развёртки в телевидении, отличающийся тем, что, с целью осуществления стабильных колебаний точно по пилообразному во времени закону, систему выполняют с незначительными, по сравнению с инерцией, упругостью и трением и применяют кратковременные, по длительности значительно меньше периода колебания, импульсы силы, создаваемые механиз.. мом, который автоматически уменьщает величину импульса силы при движении механической системы.

2.Устройство для осуществления способа по п. 1, отличающеес я тем, что механическая система выполнена в виде несущей рабочий орган (например, зеркало) рамки, установленной с возможностью колебаний вокруг одной из осей симметрии и несущей на противоположных плечах электромагниты, расположенные над одноименными полюсами неподвижных электромагнитов, с тем, чтобы при питании электромагнитов кратковременными импульсами тока рамка приходила в колебания по пилообразному закону за счёт магнитного отталкивания подвижных электромагнитов от неподвижных.

Фиг. 1

с/

г

а Фиг. 2

4 ii ia

Фиг. 4

4Т

Фиг, 6

я

I

M