यांत्रिक-विद्युत उपमाएँ

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यांत्रिक-विद्युत उपमाएँ विद्युत नेटवर्क के रूप में यांत्रिक प्रणालियों का प्रतिनिधित्व हैं। सर्वप्रथम इस प्रकार की उपमाओं का व्युत्क्रम उपयोग किया गया जिससे परिचित यांत्रिक शब्दों में विद्युत घटनाओं की व्याख्या की जा सके। जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने 19वीं शताब्दी में इस प्रकार की उपमाओं का परिचय दिया था। चूंकि, नेटवर्क विश्लेषण (विद्युत परिपथ) के परिपक्व होने पर यह पाया गया कि कुछ यांत्रिक समस्याओं को विद्युत सादृश्य के माध्यम से अधिक आसानी से समाधान किया जा सकता है। विद्युत क्षेत्र में सैद्धांतिक विकास[note 1] जो विशेष रूप से उपयोगी थे, एक विद्युत नेटवर्क का एक अमूर्त टोपोलॉजिकल आरेख (परिपथ आरेख) के रूप में प्रतिनिधित्व किया गया था, जो एक निर्धारित आवृत्ति फलन को पूरा करने के लिए एक नेटवर्क को संश्लेषित करने के लिए गांठ वाले तत्व मॉडल और नेटवर्क विश्लेषण की क्षमता का उपयोग करता था।

यह दृष्टिकोण यांत्रिक फिल्टर के डिजाइन में विशेष रूप से उपयोगी है - ये विद्युत कार्य को लागू करने के लिए यांत्रिक उपकरणों का उपयोग करते हैं। चूंकि, तकनीक का उपयोग पूरी तरह यांत्रिक समस्याओं को हल करने के लिए किया जा सकता है, और इसे अन्य, असंबंधित, ऊर्जा डोमेन में भी बढ़ाया जा सकता है। आजकल, सादृश्य द्वारा विश्लेषण मानक डिजाइन उपकरण है जहां से अधिक ऊर्जा डोमेन शामिल हैं। इसका प्रमुख लाभ यह है कि संपूर्ण प्रणाली को एकीकृत, सुसंगत तरीके से प्रस्तुत किया जा सकता है। विद्युत उपमाओं का उपयोग विशेष रूप से ट्रांसड्यूसर डिजाइनरों द्वारा किया जाता है, उनके स्वभाव से वे ऊर्जा डोमेन को पार करते हैं, और नियंत्रण प्रणालियों में, जिनके सेंसर और गति देनेवाला आमतौर पर डोमेन-क्रॉसिंग ट्रांसड्यूसर होंगे। विद्युत सादृश्य द्वारा प्रस्तुत की जा रही दी गई प्रणाली में संभवतः कोई विद्युत भाग नहीं हो सकता है। इस कारण नियंत्रण प्रणालियों के लिए नेटवर्क आरेख विकसित करते समय डोमेन-तटस्थ शब्दावली को प्राथमिकता दी जाती है।

डोमेन में वेरिएबल्स के बीच संबंधों को खोजने के द्वारा मैकेनिकल-इलेक्ट्रिकल समानताएं विकसित की जाती हैं जिनके गणितीय रूप दूसरे डोमेन में वैरिएबल के समान होते हैं। ऐसा करने का कोई एक, अनूठा तरीका नहीं है; कई समानताएं सैद्धांतिक रूप से संभव हैं, लेकिन दो समानताएं हैं जो व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं: प्रतिबाधा समानता और गतिशीलता समानता। प्रतिबाधा सादृश्य बल और वोल्टेज को समान बनाता है जबकि गतिशीलता सादृश्य बल और धारा को समान बनाता है। अपने आप में, यह समानता को पूरी तरह से परिभाषित करने के लिए पर्याप्त नहीं है, दूसरा चर चुना जाना चाहिए। सामान्य विकल्प शक्ति संयुग्मी चर (ऊष्मप्रवैगिकी) के जोड़े को समान बनाना है। ये वे चर हैं जिन्हें साथ गुणा करने पर शक्ति की इकाइयाँ होती हैं। उदाहरण के लिए, प्रतिबाधा सादृश्यता में, इसका परिणाम बल और वेग क्रमशः वोल्टेज और करंट के अनुरूप होता है।

इन उपमाओं की विविधताओं का उपयोग यांत्रिक प्रणालियों को घुमाने के लिए किया जाता है, जैसे कि विद्युत मोटर ्स में। प्रतिबाधा सादृश्य में, बल के बजाय, टोक़ को वोल्टेज के अनुरूप बनाया जाता है। यह पूरी तरह से संभव है कि सादृश्य के दोनों संस्करणों की आवश्यकता है, कहते हैं, प्रणाली जिसमें घूर्णन और पारस्परिक गति वाले भाग शामिल हैं, इस मामले में यांत्रिक डोमेन के भीतर बल-टोक़ सादृश्य और बल-टोक़-वोल्टेज सादृश्य की आवश्यकता होती है। विद्युत डोमेन। ध्वनिक प्रणालियों के लिए और भिन्नता आवश्यक है; यहाँ दबाव और वोल्टेज को अनुरूप (प्रतिबाधा सादृश्य) बनाया जाता है। प्रतिबाधा सादृश्य में, शक्ति संयुग्म चर का अनुपात हमेशा विद्युत प्रतिबाधा के अनुरूप मात्रा होता है। उदाहरण के लिए बल/वेग यांत्रिक प्रतिबाधा है। गतिशीलता सादृश्य इस सादृश्य को पूरे डोमेन में प्रतिबाधाओं के बीच संरक्षित नहीं करता है, लेकिन इसका प्रतिबाधा सादृश्य पर और फायदा है। गतिशीलता सादृश्य में नेटवर्क की टोपोलॉजी संरक्षित है, यांत्रिक नेटवर्क आरेख में समान विद्युत नेटवर्क आरेख के समान टोपोलॉजी है।

अनुप्रयोग

यांत्रिक-विद्युत उपमाओं का उपयोग यांत्रिक और विद्युत मापदंडों के बीच समानताएं बनाकर यांत्रिक प्रणाली के कार्य को समकक्ष विद्युत प्रणाली के रूप में प्रस्तुत करने के लिए किया जाता है। अपने आप में यांत्रिक प्रणाली का प्रतिनिधित्व किया जा सकता है, लेकिन विद्युत यांत्रिकी में उपमाओं का सबसे बड़ा उपयोग होता है जहां यांत्रिक और विद्युत भागों के बीच संबंध होता है। यांत्रिक फिल्टर के विश्लेषण में उपमाएँ विशेष रूप से उपयोगी हैं। ये यांत्रिक भागों से बने फिल्टर हैं लेकिन ट्रांसड्यूसर के माध्यम से विद्युत परिपथ में काम करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। परिपथ सिद्धांत सामान्य रूप से विद्युत डोमेन में अच्छी तरह से विकसित है और विशेष रूप से फिल्टर सिद्धांत का खजाना उपलब्ध है। यांत्रिक प्रणालियाँ यांत्रिक-विद्युत सादृश्य के माध्यम से यांत्रिक डिजाइनों में इस विद्युत सिद्धांत का उपयोग कर सकती हैं।[1] मैकेनिकल-इलेक्ट्रिकल समानताएं सामान्य रूप से उपयोगी होती हैं जहां सिस्टम में विभिन्न ऊर्जा डोमेन के बीच ट्रांसड्यूसर शामिल होते हैं।[note 1] अनुप्रयोग का अन्य क्षेत्र ध्वनिकी के यांत्रिक भाग हैं जैसे कि चुंबकीय कार्ट्रिज और रिकार्ड तोड़ देनेवाला के toner शुरुआती फोनोग्राफ में इसका कुछ महत्व था, जहां ऑडियो पिकअप सुई से विभिन्न यांत्रिक घटकों के माध्यम से पूरी तरह से विद्युत प्रवर्धन के बिना हॉर्न तक प्रेषित होता है। यांत्रिक भागों में अवांछित अनुनादों से शुरुआती फोनोग्राफ बुरी तरह से पीड़ित थे। यह पाया गया कि यांत्रिक भागों को लो पास फिल्टर के घटकों के रूप में व्यवहार करके इन्हें समाप्त किया जा सकता है, जिसका पासबैंड को समतल करने का प्रभाव होता है।[2] यांत्रिक प्रणाली के व्यवहार को समझने में मदद करने के लिए, यांत्रिक प्रणालियों के विद्युत उपमाओं का उपयोग केवल शिक्षण सहायता के रूप में किया जा सकता है। पूर्व समय में, लगभग 20वीं शताब्दी के प्रारंभ तक, यह अधिक संभावना थी कि विपरीत सादृश्यता का उपयोग किया जाएगा; यांत्रिक उपमाएँ तत्कालीन कम समझी जाने वाली विद्युत घटनाओं से बनी थीं।[3]


सादृश्य बनाना

विद्युत प्रणालियों को आमतौर पर परिपथ आरेख के माध्यम से वर्णित किया जाता है। ये नेटवर्क आरेख हैं जो विशेष ग्राफ (असतत गणित) संकेतन का उपयोग करके टोपोलॉजी (विद्युत परिपथ) का वर्णन करते हैं। परिपथ आरेख विद्युत घटकों के वास्तविक भौतिक आयामों या दूसरे से उनके वास्तविक स्थानिक संबंध का प्रतिनिधित्व करने का प्रयास नहीं करता है। यह संभव है क्योंकि विद्युत घटकों को आदर्श गांठ वाले तत्वों के रूप में दर्शाया जाता है, अर्थात, तत्व को ऐसे माना जाता है जैसे कि वह बिंदु पर कब्जा कर रहा हो (उस बिंदु पर गांठ)। घटक का प्रतिनिधित्व करने के लिए से अधिक तत्वों का उपयोग करके इस मॉडल में गैर-आदर्श घटकों को समायोजित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, प्रारंभ करनेवाला के रूप में उपयोग के लिए अभिप्रेत विद्युत चुम्बकीय कुंडल में विद्युत प्रतिरोध के साथ-साथ अधिष्ठापन भी होता है। यह परिपथ आरेख पर प्रारंभ करनेवाला के साथ श्रृंखला में अवरोधक के रूप में दर्शाया जा सकता है।[4] इस प्रकार, यांत्रिक प्रणाली की सादृश्यता बनाने में पहला कदम इसे यांत्रिक नेटवर्क के रूप में वर्णित करना है, जो कि आदर्श तत्वों के सांस्थितिक ग्राफ के रूप में है।[5] वैकल्पिक, अधिक सार, परिपथ आरेख के लिए प्रतिनिधित्व संभव है, उदाहरण के लिए बंधन ग्राफ[6]

साधारण गुंजयमान यंत्र (शीर्ष) का यांत्रिक नेटवर्क आरेख और इसके लिए संभावित विद्युत सादृश्य (नीचे)

विद्युत नेटवर्क आरेख में, रैखिक प्रणालियों तक सीमित, तीन निष्क्रियता (इंजीनियरिंग) तत्व हैं: प्रतिरोध, अधिष्ठापन और समाई; और दो सक्रिय तत्व: वोल्टेज स्रोत और वर्तमान स्रोत।[note 2] यांत्रिक नेटवर्क आरेख के निर्माण के लिए इन तत्वों के यांत्रिक एनालॉग का उपयोग किया जा सकता है। इन तत्वों के यांत्रिक अनुरूप क्या हैं यह इस बात पर निर्भर करता है कि कौन से चर मौलिक चर के रूप में चुने गए हैं। उपयोग किए जा सकने वाले चरों की विस्तृत पसंद है, लेकिन सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला शक्ति संयुग्मी चर (ऊष्मप्रवैगिकी) (नीचे वर्णित) और इनसे प्राप्त हैमिल्टनियन चर की जोड़ी है।[7]

इस गांठ वाले तत्व मॉडल की प्रयोज्यता की सीमा है। मॉडल अच्छी तरह से काम करता है अगर घटक इतने छोटे होते हैं कि लहर के लिए उन्हें पार करने में लगने वाला समय नगण्य है, या समकक्ष, अगर घटक के दोनों ओर लहर में कोई महत्वपूर्ण चरण (तरंगें) अंतर नहीं है। कितना महत्वपूर्ण है यह इस बात पर निर्भर करता है कि मॉडल को कितना सटीक होना आवश्यक है, लेकिन अंगूठे का सामान्य नियम यह है कि घटकों को तरंग दैर्ध्य के सोलहवें हिस्से से छोटा होना चाहिए।[8] चूंकि तरंग दैर्ध्य आवृत्ति के साथ घटता है, यह आवृत्ति पर ऊपरी सीमा डालता है जिसे इस तरह के डिजाइन में शामिल किया जा सकता है। यह सीमा यांत्रिक डोमेन में विद्युत डोमेन में समतुल्य सीमा से बहुत कम है। ऐसा इसलिए है क्योंकि विद्युत डोमेन में बहुत अधिक प्रसार गति लंबी तरंग दैर्ध्य की ओर ले जाती है (स्टील में यांत्रिक कंपन लगभग 6,000 m/s पर फैलता है,[9] सामान्य केबल प्रकारों में विद्युत चुम्बकीय तरंगें लगभग पर फैलती हैं 2 x 108 m/s[10]). उदाहरण के लिए, पारंपरिक यांत्रिक फ़िल्टर केवल लगभग 600 kHz तक ही बने होते हैं[11] (यद्यपि MEMS डिवाइस अपने बहुत छोटे आकार के कारण बहुत अधिक आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं)। दूसरी ओर विद्युत क्षेत्र में, एकमुश्त तत्व मॉडल से वितरित तत्व मॉडल में संक्रमण सैकड़ों मेगाहर्ट्ज़ क्षेत्र में होता है।[12] कुछ मामलों में टोपोलॉजिकल नेटवर्क आरेख का उपयोग जारी रखना संभव है, भले ही वितरित तत्व विश्लेषण की आवश्यकता वाले घटक मौजूद हों। इलेक्ट्रिकल डोमेन में, एक संचरण लाइन , बुनियादी वितरित तत्व घटक, विद्युत लंबाई के अतिरिक्त तत्व की शुरूआत के साथ मॉडल में शामिल किया जा सकता है।[13] ट्रांसमिशन लाइन विशेष मामला है क्योंकि यह अपनी लंबाई के साथ अपरिवर्तनीय है और इसलिए पूर्ण ज्यामिति को मॉडल करने की आवश्यकता नहीं है।[14] वितरित तत्वों से निपटने का अन्य तरीका परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करना है जिससे वितरित तत्व को बड़ी संख्या में छोटे गांठ वाले तत्वों द्वारा अनुमानित किया जाता है। मानव कान के कोक्लीअ को मॉडल करने के लिए पेपर में इस तरह के दृष्टिकोण का उपयोग किया गया था।[15] गांठ वाले तत्व मॉडल के अनुप्रयोग के लिए विद्युत प्रणालियों के लिए आवश्यक और शर्त यह है कि घटक के बाहर कोई महत्वपूर्ण क्षेत्र (भौतिकी) मौजूद नहीं है क्योंकि ये अन्य असंबंधित घटकों के साथ युग्मन (भौतिकी) कर सकते हैं।[16] चूंकि, इन प्रभावों को अक्सर कुछ आभासी ढेलेदार तत्वों को पेश करके तैयार किया जा सकता है जिन्हें आवारा या परजीवी तत्व (विद्युत नेटवर्क) कहा जाता है।[17] यांत्रिक प्रणालियों में इसका एनालॉग घटक में कंपन है जो असंबंधित घटक के साथ जुड़ा हुआ है।[18]


पावर संयुग्म चर

संयुग्म चर (थर्मोडायनामिक्स) वेरिएबल्स की जोड़ी है जिसका उत्पाद शक्ति है। विद्युत डोमेन में चुने गए शक्ति संयुग्म चर हमेशा वोल्टेज (v) और करंट (बिजली) (i) होते हैं। इस प्रकार, यांत्रिक डोमेन में शक्ति संयुग्म चर एनालॉग हैं। चूंकि, यह यांत्रिक मौलिक चर के चुनाव को अद्वितीय बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है। अनुवाद (भौतिकी) यांत्रिक प्रणाली के लिए सामान्य पसंद बल (एफ) और वेग (यू) है लेकिन यह एकमात्र विकल्प नहीं है। अलग जोड़ी अलग ज्यामिति वाली प्रणाली के लिए अधिक उपयुक्त हो सकती है, जैसे कि घूर्णी प्रणाली।[19] यांत्रिक मूलभूत चरों के चुने जाने के बाद भी, एनालॉग्स का अनूठा सेट नहीं है। सादृश्य में दो तरीके हैं कि दो जोड़ी शक्ति संयुग्म चर दूसरे के साथ जुड़े हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, F के साथ v और u का i के साथ जुड़ाव बनाया जा सकता है। हालाँकि, v के साथ u और i के साथ F के वैकल्पिक साहचर्य भी संभव हैं। यह समानता के दो वर्गों, प्रतिबाधा अनुरूपता और गतिशीलता अनुरूपता की ओर जाता है।[20] ये उपमाएँ दूसरे के द्वैत (गणित) हैं। ही यांत्रिक नेटवर्क में दो अलग-अलग विद्युत नेटवर्क में एनालॉग होते हैं। ये दो विद्युत नेटवर्क दूसरे के दोहरे प्रतिबाधा हैं।[21]


हैमिल्टनियन चर

हैमिल्टनियन चर, जिन्हें ऊर्जा चर भी कहा जाता है, वे चर हैं r = (q, p), जो हैमिल्टन के समीकरणों के अनुसार संयुग्मी हैं:[22]

इसके अलावा, हैमिल्टनियन चर के समय के डेरिवेटिव शक्ति संयुग्म चर हैं।

विद्युत डोमेन में हैमिल्टनियन चर बिजली का आवेश (क्यू) और प्रवाह लिंकेज (λ) हैं क्योंकि,

(फैराडे का आगमन का नियम) और,

ट्रांसलेशनल मैकेनिकल डोमेन में हैमिल्टनियन चर दूरी विस्थापन (वेक्टर) (एक्स) और संवेग (पी) हैं क्योंकि,

(न्यूटन का दूसरा नियम | न्यूटन की गति का दूसरा नियम) और,

अन्य उपमाओं और चर के सेट के लिए समान संबंध है।[23] हैमिल्टनियन चर को ऊर्जा चर भी कहा जाता है। हैमिल्टनियन चर के संबंध में शक्ति संयुग्म चर का समाकलन ऊर्जा का माप है। उदाहरण के लिए,

और,

दोनों ऊर्जा के भाव हैं। यांत्रिक डोमेन में उनके समकक्षों के बाद उन्हें सामान्यीकृत गति और सामान्यीकृत विस्थापन भी कहा जा सकता है। कुछ लेखक इस शब्दावली को हतोत्साहित करते हैं क्योंकि यह डोमेन तटस्थ नहीं है। इसी तरह, I-टाइप और V-टाइप (करंट और वोल्टेज के बाद) शब्दों के उपयोग को भी हतोत्साहित किया जाता है।[24]


समानता के वर्ग

उपयोग में समानता के दो सिद्धांत वर्ग हैं। प्रतिबाधा सादृश्य (जिसे मैक्सवेल सादृश्य भी कहा जाता है) यांत्रिक, ध्वनिक और विद्युत प्रतिबाधा के बीच समानता को संरक्षित करता है लेकिन नेटवर्क की टोपोलॉजी को संरक्षित नहीं करता है। यांत्रिक नेटवर्क को उसके अनुरूप विद्युत नेटवर्क से अलग तरीके से व्यवस्थित किया जाता है। गतिशीलता सादृश्य (जिसे फायरस्टोन सादृश्य भी कहा जाता है) ऊर्जा डोमेन में प्रतिबाधाओं के बीच समानता को खोने की कीमत पर नेटवर्क टोपोलॉजी को संरक्षित करता है। संपूर्ण सादृश्य भी है, जिसे ट्रेंट सादृश्य भी कहा जाता है। विद्युत और यांत्रिक डोमेन के बीच संपूर्ण और संपूर्ण सादृश्य गतिशीलता सादृश्य के समान है। हालाँकि, विद्युत और ध्वनिक डोमेन के बीच समानता प्रतिबाधा सादृश्य की तरह है। यांत्रिक और ध्वनिक डोमेन के बीच सादृश्य के माध्यम से और सादृश्य के बीच प्रतिबाधा सादृश्य और गतिशीलता सादृश्य दोनों के साथ दोहरा संबंध है।[25] यांत्रिक अनुवाद और घूर्णी प्रणालियों के लिए अलग-अलग मूलभूत चर चुने जाते हैं, जिससे प्रत्येक उपमा के लिए दो संस्करण होते हैं। उदाहरण के लिए, रैखिक दूरी अनुवाद प्रणाली में विस्थापन चर है, लेकिन यह घूमने वाली प्रणालियों के लिए उपयुक्त नहीं है जहां इसके बजाय कोण का उपयोग किया जाता है। ध्वनिक उपमाओं को भी विवरण में तीसरे संस्करण के रूप में शामिल किया गया है। जबकि ध्वनिक ऊर्जा अंततः प्रकृति में यांत्रिक है, इसे साहित्य में अलग ऊर्जा डोमेन, द्रव डोमेन के उदाहरण के रूप में माना जाता है, और इसमें विभिन्न मौलिक चर होते हैं। इलेक्ट्रोमैकेनिकल ऑडियो सिस्टम को पूरी तरह से प्रस्तुत करने के लिए सभी तीन डोमेन - इलेक्ट्रिकल, मैकेनिकल और ध्वनिक - के बीच समानताएं आवश्यक हैं।[26]


प्रतिबाधा उपमाएँ

Main article: Impedance analogy

प्रतिबाधा अनुरूपता, जिसे मैक्सवेल सादृश्य भी कहा जाता है, प्रयास चर और प्रवाह चर के रूप में शक्ति संयुग्म जोड़ी बनाने वाले दो चरों को वर्गीकृत करता है। ऊर्जा डोमेन में प्रयास चर यांत्रिक डोमेन में बल के समान चर है। ऊर्जा डोमेन में प्रवाह चर यांत्रिक डोमेन में वेग के अनुरूप चर है। एनालॉग डोमेन में पावर कॉन्जुगेट वेरिएबल्स चुने जाते हैं जो बल और वेग के लिए कुछ समानता रखते हैं।[27] विद्युत क्षेत्र में, प्रयास चर वोल्टेज है और प्रवाह चर विद्युत प्रवाह है। वोल्टेज से करंट का अनुपात विद्युत प्रतिरोध (ओम का नियम) है। अन्य डोमेन में प्रयास चर के प्रवाह चर के अनुपात को भी प्रतिरोध के रूप में वर्णित किया गया है। दोलन वोल्टेज और धाराएं विद्युत प्रतिबाधा की अवधारणा को जन्म देती हैं जब उनके बीच चरण अंतर होता है। प्रतिबाधा को प्रतिरोध की अवधारणा के विस्तार के रूप में देखा जा सकता है। प्रतिरोध ऊर्जा अपव्यय से जुड़ा हुआ है। प्रतिबाधा में ऊर्जा भंडारण के साथ-साथ ऊर्जा अपव्यय भी शामिल है।

प्रतिबाधा सादृश्य अन्य ऊर्जा डोमेन में प्रतिबाधा की अवधारणा को जन्म देता है (लेकिन विभिन्न इकाइयों में मापा जाता है)।[28] ट्रांसलेशनल प्रतिबाधा सादृश्य रैखिक आयाम में चलने वाली यांत्रिक प्रणालियों का वर्णन करता है और यांत्रिक प्रतिबाधा के विचार को जन्म देता है। यांत्रिक प्रतिबाधा की इकाई यांत्रिक ओम है; SI इकाइयों में यह N-s/m, या Kg/s है।[29] घूर्णी प्रतिबाधा सादृश्य घूर्णन यांत्रिक प्रणालियों का वर्णन करता है और घूर्णी प्रतिबाधा के विचार को जन्म देता है। एसआई प्रणाली में घूर्णी प्रतिबाधा की इकाई N-m-s/rad है।[30] ध्वनिक प्रतिबाधा सादृश्य ध्वनिक प्रतिबाधा के विचार को जन्म देता है। ध्वनिक प्रतिबाधा की इकाई ध्वनिक ओम है; SI इकाइयों में यह N-s/m है5.[31]

Variables[32]
Type Mechanical translation

variable

Mechanical rotation

variable

Acoustical variable Analogous

electrical variable

Power conjugate pair Effort variable Force Torque Pressure Voltage
Flow variable Velocity Angular velocity Volume flow rate Current
Hamiltonian variables Effort Hamiltonian Momentum Angular momentum Pressure-momentum Flux linkage
Flow Hamiltonian Displacement Angle Volume Charge
Elements Damping Rotational resistance Acoustic resistance Resistance
Mass Moment of inertia Acoustic mass[note 3] Inductance
Compliance Rotational compliance Acoustic compliance Capacitance
Mechanical impedance Mechanical impedance Acoustic impedance Electrical impedance


गतिशीलता उपमाएँ

Main article: Mobility analogy

गतिशीलता उपमाएँ, जिन्हें फायरस्टोन सादृश्य भी कहा जाता है, प्रतिबाधा उपमाओं के द्वैत (विद्युत परिपथ) हैं। अर्थात्, यांत्रिक डोमेन में प्रयास चर विद्युत डोमेन में वर्तमान (प्रवाह चर) के अनुरूप है, और यांत्रिक डोमेन में प्रवाह चर विद्युत डोमेन में वोल्टेज (प्रयास चर) के अनुरूप है। यांत्रिक प्रणाली का प्रतिनिधित्व करने वाला विद्युत नेटवर्क प्रतिबाधा सादृश्य में इसका दोहरा प्रतिबाधा है।[33] गतिशीलता सादृश्य को प्रवेश द्वारा उसी तरह से चित्रित किया जाता है जिस तरह प्रतिबाधा सादृश्य को प्रतिबाधा द्वारा चित्रित किया जाता है। प्रवेश प्रतिबाधा का बीजगणितीय प्रतिलोम है। यांत्रिक डोमेन में, यांत्रिक प्रवेश को आमतौर पर गतिशीलता कहा जाता है।[34]

Variables[35]
Type Mechanical translation

variable

Mechanical rotation

variable

Acoustical variable Analogous

electrical variable

Power conjugate pair Effort variable Force Torque Pressure Current
Flow variable Velocity Angular velocity Volume flow rate Voltage
Hamiltonian variables Effort Hamiltonian Momentum Angular momentum Pressure-momentum Charge
Flow Hamiltonian Displacement Angle Volume Flux linkage
Elements Responsiveness[note 4] Rotational responsiveness Acoustic conductance Resistance
Mass Moment of inertia Acoustic mass Capacitance
Compliance Rotational compliance Acoustic compliance Inductance
Mobility Rotational mobility Acoustic admittance Electrical impedance


उपमाओं के माध्यम से और भर में

उपमाओं के माध्यम से और भर में, जिसे ट्रेंट सादृश्य भी कहा जाता है, दो चरों को वर्गीकृत करता है जो शक्ति संयुग्म जोड़ी को एक भर चर और एक के माध्यम से चर के रूप में वर्गीकृत करता है। संपूर्ण चर चर है जो तत्व के दो टर्मिनलों में दिखाई देता है। संपूर्ण चर को तत्व टर्मिनलों के सापेक्ष मापा जाता है। थ्रू वेरिएबल वेरिएबल है जो किसी तत्व से होकर गुजरता है, या उसके माध्यम से कार्य करता है, अर्थात तत्व के दोनों टर्मिनलों पर इसका मान समान होता है। थ्रू और ओवर सादृश्य का लाभ यह है कि जब थ्रू हैमिल्टनियन चर को संरक्षित मात्रा के रूप में चुना जाता है, तो किरचॉफ के परिपथ नियम | किरचॉफ के नोड नियम का उपयोग किया जा सकता है, और मॉडल में वास्तविक प्रणाली के समान टोपोलॉजी होगी।

इस प्रकार, विद्युत डोमेन में संपूर्ण चर वोल्टेज है और चर के माध्यम से वर्तमान है। यांत्रिक डोमेन में समान चर वेग और बल हैं, जैसा कि गतिशीलता सादृश्य में है।[36] ध्वनिक प्रणाली में, दबाव चर है क्योंकि दबाव को तत्व के दो टर्मिनलों के सापेक्ष मापा जाता है, पूर्ण दबाव के रूप में नहीं। इस प्रकार यह बल के अनुरूप नहीं है जो कि चर के माध्यम से है, भले ही दबाव प्रति क्षेत्र बल की इकाइयों में हो। बल तत्व के माध्यम से कार्य करते हैं; शीर्ष पर लगाए गए बल के साथ छड़ उसी बल को उसके तल से जुड़े तत्व तक पहुंचाती है। इस प्रकार, सादृश्य के माध्यम से और भर में यांत्रिक डोमेन गतिशीलता सादृश्य की तरह विद्युत डोमेन के अनुरूप है, लेकिन ध्वनिक डोमेन प्रतिबाधा सादृश्य की तरह विद्युत डोमेन के अनुरूप है।[37]

Variables[38]
Type Mechanical translation

variable

Mechanical rotation

variable

Acoustical variable Analogous

electrical variable

Power conjugate pair Across variable Velocity Angular velocity Pressure Voltage
Through variable Force Torque Volume flow rate Current
Hamiltonian variables Across Hamiltonian Displacement Angle Pressure-momentum Flux linkage
Through Hamiltonian Linear momentum Angular momentum Volume Charge


अन्य ऊर्जा डोमेन

विद्युत समानता को कई अन्य ऊर्जा डोमेनों तक बढ़ाया जा सकता है। सेंसर और एक्चुएटर्स के क्षेत्र में, और उनका उपयोग करने वाली नियंत्रण प्रणाली इंजीनियरिंग के लिए, यह संपूर्ण प्रणाली के विद्युत सादृश्य को विकसित करने के लिए विश्लेषण का सामान्य तरीका है। चूंकि सेंसर किसी भी ऊर्जा डोमेन में चर को महसूस कर सकते हैं, और इसी तरह सिस्टम से आउटपुट किसी भी ऊर्जा डोमेन में हो सकते हैं, सभी ऊर्जा डोमेन के लिए समानताएं आवश्यक हैं। निम्न तालिका समानताएं बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे सामान्य शक्ति संयुग्म चर का सारांश देती है।[39]

Energy domain analogies[40]
Energy domain Effort variable Flow variable
Electrical Voltage Current
Mechanical Force Velocity
Fluid Pressure Volume flow rate
Thermal Temperature difference Entropy flow rate
Magnetic Magnetomotive force (mmf) Magnetic flux rate of change
Chemical Chemical potential Molar flow rate

थर्मल डोमेन में तापमान और थर्मल पावर को मौलिक चर के रूप में चुनना शायद अधिक आम है क्योंकि एंट्रॉपी के विपरीत, उन्हें सीधे मापा जा सकता है। थर्मल प्रतिरोध की अवधारणा इस सादृश्य पर आधारित है। हालाँकि, ये शक्ति संयुग्म चर नहीं हैं और तालिका में अन्य चर के साथ पूरी तरह से संगत नहीं हैं। कई डोमेन में एकीकृत विद्युत सादृश्य जिसमें यह तापीय सादृश्य शामिल है, ऊर्जा प्रवाह को सही ढंग से मॉडल नहीं करेगा।[41] इसी तरह, मौलिक चर के रूप में एमएमएफ और चुंबकीय प्रवाह का उपयोग करते हुए आमतौर पर देखा जाने वाला सादृश्य, जो चुंबकीय अनिच्छा की अवधारणा को जन्म देता है, सही ढंग से ऊर्जा प्रवाह का मॉडल नहीं करता है। चर जोड़ी एमएमएफ और चुंबकीय प्रवाह शक्ति संयुग्म जोड़ी नहीं है। इस अनिच्छा मॉडल को कभी-कभी अनिच्छा-प्रतिरोध मॉडल कहा जाता है क्योंकि यह इन दो मात्राओं को समान बनाता है। तालिका में दिखाया गया सादृश्य, जो शक्ति संयुग्म जोड़ी का उपयोग करता है, को कभी-कभी गाइरेटर-संधारित्र मॉडल कहा जाता है।[42]


ट्रांसड्यूसर

ट्रांसड्यूसर उपकरण है जो डोमेन से इनपुट के रूप में ऊर्जा लेता है और इसे आउटपुट के रूप में दूसरे ऊर्जा डोमेन में परिवर्तित करता है। वे अक्सर प्रतिवर्ती होते हैं, लेकिन उस तरह से शायद ही कभी उपयोग किए जाते हैं। ट्रांसड्यूसर के कई उपयोग हैं और कई प्रकार हैं, इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम में उन्हें एक्चुएटर और सेंसर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। ऑडियो इलेक्ट्रॉनिक्स में वे विद्युत और ध्वनिक डोमेन के बीच रूपांतरण प्रदान करते हैं। ट्रांसड्यूसर मैकेनिकल और इलेक्ट्रिकल डोमेन के बीच लिंक प्रदान करता है और इस प्रकार एकीकृत विद्युत सादृश्य विकसित करने के लिए इसके लिए नेटवर्क प्रतिनिधित्व की आवश्यकता होती है।[43] ऐसा करने के लिए विद्युत डोमेन से पोर्ट (परिपथ सिद्धांत) की अवधारणा को अन्य डोमेन में विस्तारित किया गया है।[44] ट्रांसड्यूसर के पास (कम से कम[note 5]) दो पोर्ट, पोर्ट मैकेनिकल डोमेन में और इलेक्ट्रिकल डोमेन में, और इलेक्ट्रिकल टू-पोर्ट नेटवर्क के अनुरूप हैं। इसकी तुलना अब तक चर्चा किए गए तत्वों से की जानी है जो सभी एक-बंदरगाह हैं। दो-पोर्ट नेटवर्क को 2×2 मैट्रिक्स के रूप में, या समकक्ष रूप से, दो निर्भर जनरेटर और दो प्रतिबाधा या प्रवेश के नेटवर्क के रूप में दर्शाया जा सकता है। इन अभ्यावेदन के छह विहित रूप हैं: प्रतिबाधा पैरामीटर, श्रृंखला पैरामीटर, हाइब्रिड पैरामीटर और उनके मैट्रिक्स व्युत्क्रम। उनमें से कोई भी इस्तेमाल किया जा सकता है। चूंकि, अनुरूप चर (उदाहरण के लिए प्रतिबाधा सादृश्य में अन्य प्रयास चर के लिए प्रयास चर) के बीच परिवर्तित निष्क्रिय ट्रांसड्यूसर का प्रतिनिधित्व ट्रांसफार्मर के साथ निर्भर जनरेटर को बदलकर सरल किया जा सकता है।[45] दूसरी ओर, ट्रांसड्यूसर जो गैर-समान शक्ति संयुग्म चर को परिवर्तित करता है, ट्रांसफार्मर द्वारा प्रदर्शित नहीं किया जा सकता है। ऐसा करने वाले विद्युत डोमेन में दो-पोर्ट तत्व को जाइरेटर कहा जाता है। यह डिवाइस वोल्टेज को करंट और करंट को वोल्टेज में बदलता है। सादृश्य से, ट्रांसड्यूसर जो ऊर्जा डोमेन के बीच गैर-समान चर को परिवर्तित करता है, उसे गाइरेटर भी कहा जाता है। उदाहरण के लिए, विद्युत चुम्बकीय ट्रांसड्यूसर वर्तमान को बल और वेग को वोल्टेज में परिवर्तित करते हैं।[46] प्रतिबाधा सादृश्य में ऐसा ट्रांसड्यूसर जाइरेटर है।[47] क्या ट्रांसड्यूसर जाइरेटर है या ट्रांसफॉर्मर सादृश्य से संबंधित है; गतिशीलता सादृश्य में ही विद्युत चुम्बकीय ट्रांसड्यूसर ट्रांसफार्मर है क्योंकि यह अनुरूप चर के बीच परिवर्तित हो रहा है।[48]


इतिहास

जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने विद्युत परिघटनाओं की बहुत विस्तृत यांत्रिक उपमाएँ विकसित कीं। वह वोल्टेज (1873) के साथ बल को जोड़ने वाले पहले व्यक्ति थे और इसके परिणामस्वरूप आमतौर पर प्रतिबाधा सादृश्य को स्थापित करने का श्रेय दिया जाता है।[49] यह जल्द से जल्द यांत्रिक-विद्युत सादृश्य था।[50] चूंकि, प्रतिबाधा शब्द 1886 तक गढ़ा नहीं गया था, मैक्सवेल की मृत्यु के लंबे समय बाद, ओलिवर हीविसाइड द्वारा।[51] जटिल प्रतिबाधा का विचार 1893 में आर्थर ई. केनेली द्वारा पेश किया गया था, और प्रतिबाधा की अवधारणा को 1920 तक केनेली और आर्थर गॉर्डन वेबस्टर द्वारा यांत्रिक डोमेन में विस्तारित नहीं किया गया था।[52] इस सादृश्य के निर्माण में मैक्सवेल का उद्देश्य विद्युत नेटवर्क के संदर्भ में यांत्रिक प्रणालियों का प्रतिनिधित्व करना नहीं था। बल्कि, यह अधिक परिचित यांत्रिक शब्दों में विद्युतीय परिघटनाओं की व्याख्या करना था।[53] जब जॉर्ज एशले कैंपबेल ने पहली बार 1899 में टेलीफोन लाइनों को बेहतर बनाने के लिए लोडिंग कॉइल्स के उपयोग का प्रदर्शन किया, तो उन्होंने समय-समय पर भार के साथ भरी हुई यांत्रिक लाइनों पर चार्ल्स गॉडफ्रे के काम के अनुरूप कॉइल्स के बीच आवश्यक दूरी की गणना की।[54] जैसे-जैसे विद्युत घटनाएँ इस सादृश्य के विपरीत को बेहतर ढंग से समझने लगीं, यांत्रिक प्रणालियों की व्याख्या करने के लिए विद्युत उपमाओं का उपयोग करना अधिक सामान्य होने लगा। दरअसल, विद्युत विश्लेषण के लुम्प्ड तत्व सार टोपोलॉजी में यांत्रिक डोमेन और उस मामले के लिए अन्य ऊर्जा डोमेन में समस्याएं पेश करने के लिए बहुत कुछ है। 1900 तक मैकेनिकल डोमेन की इलेक्ट्रिकल सादृश्यता आम होती जा रही थी। लगभग 1920 से विद्युत सादृश्य मानक विश्लेषण उपकरण बन गया। वन्नेवर बुश एनालॉग कंप्यूटर के अपने विकास में इस तरह के मॉडलिंग के अग्रणी थे, और इस पद्धति की सुसंगत प्रस्तुति क्लिफर्ड ए निकल द्वारा 1925 के पेपर में प्रस्तुत की गई थी।[55] यांत्रिक और ध्वनिक प्रणालियों के लिए नेटवर्क विश्लेषण (विद्युत परिपथ), विशेष रूप से फ़िल्टर सिद्धांत के नए विकसित क्षेत्र के अनुप्रयोग ने प्रदर्शन में भारी सुधार किया। वॉरेन पी. मेसन के अनुसार शिप इलेक्ट्रिक फॉगहॉर्न की दक्षता प्रतिशत से भी कम बढ़कर 50 प्रतिशत हो गई। मैकेनिकल ग्रामोफ़ोन की बैंडविड्थ (सिग्नल प्रोसेसिंग) तीन से पांच सप्तक तक बढ़ी जब ध्वनि संचरण के यांत्रिक भागों को इस तरह डिजाइन किया गया जैसे कि वे इलेक्ट्रिक फिल्टर के तत्व हों (यह भी देखें) Mechanical filter § Sound reproduction). उल्लेखनीय रूप से, ही समय में रूपांतरण दक्षता में सुधार हुआ था (एम्पलीफायर सिस्टम के साथ सामान्य स्थिति यह है कि लाभ (इलेक्ट्रॉनिक्स) को बैंडविड्थ के लिए कारोबार किया जा सकता है जैसे कि लाभ-बैंडविड्थ उत्पाद स्थिर रहता है)।[56] 1933 में फ़्लॉइड ए. फायरस्टोन ने नया सादृश्य, गतिशीलता सादृश्य प्रस्तावित किया, जिसमें बल वोल्टेज के बजाय धारा के अनुरूप होता है। फायरस्टोन ने इस पत्र में चर के पार और उसके माध्यम से अवधारणा पेश की और अन्य ऊर्जा डोमेन में समानता को विस्तारित करने के लिए संरचना प्रस्तुत की।[57] 1955 में होरेस एम. ट्रेंट द्वारा बल-धारा सादृश्य की भिन्नता प्रस्तावित की गई थी और यह वह संस्करण है जो आम तौर पर सादृश्य के माध्यम से और उसके पार होता है।[58] ट्रेंट ने नेटवर्क का प्रतिनिधित्व करने के लिए रेखीय ग्राफ पद्धति का उपयोग किया, जिसके परिणामस्वरूप बल-वर्तमान सादृश्य ऐतिहासिक रूप से रैखिक रेखांकन से जुड़ा हुआ है। बल-वोल्टेज सादृश्य ऐतिहासिक रूप से बांड ग्राफ अभ्यावेदन के साथ प्रयोग किया जाता है, जिसे 1960 में हेनरी पयंटर द्वारा पेश किया गया था, चूंकि, वांछित होने पर किसी भी प्रतिनिधित्व के साथ सादृश्य का उपयोग करना संभव है।[59]


यह भी देखें

टिप्पणियाँ

  1. ↑ 1.0 1.1 An energy domain pertains to a system or subsystem in which the energy and forces are all of a particular kind such as electrical, mechanical, acoustical, thermal, and so on.
  2. ↑ The five-element scheme can be extended to active devices such as transistors by the use of two-port networks containing dependent generators provided the transistor is operating in a substantially linear region.
  3. ↑ Acoustic mass does not have units of mass. In the SI system it has units of kg/m4 (Barron, p. 333)
  4. ↑ Responsiveness is the inverse of mechanical resistance (Seely et al., p. 200)
  5. ↑ Piezoelectric transducers are frequently modelled as three-port devices, one electrical and two mechanical, because mechanical vibrations are induced on both sides of the crystal (Cheeke, pp. 213-214).


संदर्भ

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