Rezonans i anty-rezonans to dwa bardzo tajemnicze zjawiska. Rezonans i jego destruktywny potencjał często przywodzą na myśl katastrofę mostu Tacoma Narrows w 1940 roku. Natomiast anty-rezonans przywodzi na myśl aktywne tłumiki drgań masy na górnych piętrach, które wyciszają budynki wzbudzane przez wiatr. W czasie uderzeń wiatru budynek pozostaje nieruchomy, natomiast oscylują aktywne tłumiki drgań masy. Jednak dobrze pamiętam frustrację jednego z moich kolegów, który bez końca omawiał ze swoimi studentami zagadnienia anty-rezonansu, lecz wyniki jego wysiłków były marne lub wręcz zerowe.
Gdy popychamy dziecko na huśtawce, a nasze pchnięcia są zgodne z prędkością dziecka, dodajemy energii jego ruchowi. Energia ta jest kumulowana i przy niewielkim tłumieniu powstają bardzo energiczne drgania. Nasze pchnięcia są zgodne rezonansowo z drganiami – czyli naturalną częstotliwością – dziecka na huśtawce. Przy takiej częstotliwości energia w ramach takiego systemu przepływa bez ograniczeń w jedną i drugą stronę pomiędzy energią kinetyczną a potencjalną, a system zachowuje się jak zbiornik energii. Zawalenie się mostu Tacoma Narrows było skutkiem tego właśnie efektu: wiry wiatru rozchwiały most, zgodnie z jego naturalną częstotliwością, doprowadzając do zawalenia. Przy częstotliwości antyrezonansowej system zachowuje się jak ujście energii w miarę, jak energia wejściowa zostaje w pełni uwięziona w elementach zbierających energię dolnej części oryginalnego systemu; dzieje się to w taki sposób, że w punkcie pomiaru nie wykrywa się żadnego wypływu. Energia pochodząca z wiatru uderzającego w budynek zostaje uwięziona w podsystemie tłumika drgań masy, powodując poruszanie się, podczas gdy sam budynek pozostaje nieruchomy.
To niezwykle ciekawe, lecz co to wszystko ma właściwie wspólnego z mechatronicznymi systemami ruchu? Bardzo dużo! Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, zwróciłem się do jednego z wiodących ekspertów w zakresie mechanizmów podatnych, profesora Shorya Awtar’a, który wykłada mechatronikę na Uniwersytecie Michigan w Ann Arbor. Nasza dyskusja była zarazem instruktywna i ekscytująca. Jego główna myśl była taka, że w projektowaniu nie ma nic za darmo – zawsze wiąże się to z jakimś kompromisem. Najlepszą drogą do opracowania dobrego projektu jest wzięcie pod uwagę wszelkich koniecznych kompromisów, dokonanie oceny takich kompromisów drogą modelowania i analizowania, a następnie dokonanie właściwego wyboru w zależności od tego, jakie są konkretne potrzeby. W rzeczywistych systemach zawsze występuje podatność. Może ona mieć charakter niekorzystny i utrudniać ruch, lecz może być również wykorzystywana do istotnego polepszenia jakości tego ruchu. Trudności powstają wtedy, gdy nie jest efektywnie modelowana lub po prostu ignorowana.
Dwuosiowe łożysko giętkie (S. Awtar).
Celem mechatronicznych systemów ruchomych jest uzyskanie wysokiej jakości ruchu – wysoka rozdzielczość, precyzja, dokładność i prędkość – jak również wytrzymałości na zmiany systemowe. W idealnym świecie elementy maszyny byłyby sztywne, nie istniałyby niedoskonałości lub tolerancje pomiędzy obróbką a montażem i nie byłoby konieczności pokonywania tarcia lub luzu. Włączanie podatności do projektu systemu może istotnie polepszyć jakość ruchu, a może się to dziać na trzy różne sposoby. W celu wyeliminowania tarcia i luzu w sytuacji przenoszenia ciężarów, projektant musi wykorzystać łożysko magnetyczne lub powietrzne, w przypadku których nie ma styku. Oba stanowią niesłychanie skomplikowane wymagające systemy. Łożysko giętkie zapewnia zarówno przenoszenie ciężaru, jak i ukierunkowanie ruchu, lecz jest to ruch niewielki, a jednocześnie eliminuje tarcie i luz (patrz rysunek przedstawiający dwuosiowe łożysko giętkie S. Awtar’a). Ma zapewniać optymalne rozłożenie sztywności oraz podatności. Po drugie, przy przekazywaniu ruchu łożyska giętkie stosowane są do kompensowania nieprostoliniowości w projekcie lub wynikającej z tolerancji związanej z wytwarzaniem lub montażem, jednocześnie eliminując tarcie i luz. I po trzecie, gdy mocuje się dwa elementy, giętkie zaciski zapewniają podobne korzyści.
Wiele naturalnych systemów wykorzystuje zjawisko podatności, podczas gdy mechanizmy tworzone przez człowieka często unikają podatności. Jeśli w projekcie systemu podatność zostanie właściwie uchwycona w modelu, możliwe jest uzyskanie ruchu wysokiej jakości i wytrzymałość dzięki podatności – czyli zjawisko to staje się korzystne! Natomiast podatność staje się zdecydowanie niekorzystna, gdy nie jest właściwie zrozumiana i brana pod uwagę w projekcie systemu. Ignorowanie wewnętrznej podatności lub unikanie wykorzystywania podatności odpowiednio do potrzeb sprawia, że podatność staje się niebezpiecznym zjawiskiem!
