Pengayun (English – oscillator) ialah sejenis sistem yang mengubah
bentuk tenaga yang diterimanya kepada tenaga yang sejajar (English-coherent) dan kuat
(English-strong).
Sistem pengayun terdiri daripada tiga unsur utama; iaitu penguat (English-amplifier), penala (English-resonator) dan suapbalik (English-feedback).
Sistem pengayun akan menerima tenaga dari punca bekalan
tenaga (input), memprosesnya dan mengeluarkannya dalam bentuk tenaga yang sejajar dan kuat (output).
Apakah yang dimaksudkan dengan sejajar dan kuat? Untuk
memahaminya, saya akan membawa para pembaca mengenali terlebih dahulu sifat
semulajadi tenaga dalam bahagian di bawah.
Tenaga adalah
campuran gelombang sinusoidal
Semua jenis tenaga dalam alam ini wujud dalam bentuk
gelombang.
Sebagai contoh, tenaga elektrik wujud sebagai gelombang
pergerakan elektron dalam bahan pengalir, tenaga haba wujud sebagai gelombang
inframerah dan tenaga radio wujud sebagai gelombang elektromagnet pada
frekuensi radio, dan tenaga cahaya wujud sebagai gelombang elektromagnet pada
frekuensi cahaya nampak.
Gelombang yang hanya bergetar pada satu frekuensi sahaja ialah gelombang
sinusoidal, iaitu gelombang yang boleh diterjemahkan dalam fungsi
trigonometri sinus.
Sejenis gelombang sinusoidal. Gelombang sinusoidal ialah
gelombang yang boleh diterjemahkan oleh fungsi trigonometri sinus.
Contoh gelombang sinusoidal dengan frekuensi yang
berbeza-beza, dengan paksi tegak ialah amplitud (kandungan tenaga) dan paksi
datar ialah masa. Gelombang paling atas ialah gelombang dengan frekuensi paling
rendah.
[Nota: Frekuensi ialah bilangan getaran lengkap dalam satu
saat. Setiap satu gelombang sinusoidal adalah unik mengikut frekuensinya
(frekuensi adalah identiti sinusoidal tersebut). Semakin tinggi frekuensi suatu
gelombang sinusoidal, semakin banyak getaran yang dilakukan dalam sesaat.]
Dalam alam ini, tenaga wujud dalam bentuk campuran gelombang sinusoidal sama ada
pada frekuensi yang sama atau berbeza-beza.
Untuk menceraikan tenaga kepada komponen gelombang
sinusoidal (atau secara ringkasnya komponen sinusoidal), kita menggunakan
kaedah matematik yang dikenali sebagai penukaran Fourier (English-Fourier
transform). Semua teknologi elektronik yang boleh menceraikan tenaga kepada
komponen gelombang sinusoidal (salah satunya ialah teknologi radio) menggunakan
penukaran Fourier secara litar elektronik, sama ada litar terbina
(English-built-in) atau yang boleh diprogramkan (English-programmable).
Sebagai contoh, gelombang kotak dari sebuah penggetar
elektronik boleh diceraikan kepada komponen sinusoidal di bawah. Apabila
komponen sinusoidal tersebut dijumlahkan
secara penambahan amplitud, ia akan kembali membentuk gelombang kotak
(English-square wave).
Dalam rajah di atas, gelombang kotak (merah) ditunjukkan
bersama-sama sebahagian daripada komponen sinusoidalnya. Komponen yang
ditunjukkan ialah sinusoidal pada harmonik ke 3 (hijau) dan 5 (oren), dan
komponen asas (English – fundamental component) yang berwarna biru.
Alatan muzik juga menghasilkan tenaga bunyi dengan campuran
komponen sinusoidal. Ambil satu contoh, iaitu tali gitar. Tali gitar yang
sumbang dan tidak mengeluarkan bunyi untuk not yang dikehendaki, sebenarnya
menghasilkan tenaga bunyi yang memiliki campuran komponen sinusoidal yang banyak.
Untuk mengelakkan bunyi yang sumbang, maka penalaan (English-tuning) dilakukan ke
atas tali gitar tersebut, agar ia hanya mengeluarkan bunyi pada not yang
dikehendaki sahaja, atau dengan kata lain, hanya pada satu komponen sinusoidal
atau pada satu frekuensi tertentu sahaja. Ini kerana setiap not bunyi
ditentukan oleh hanya satu frekuensi getaran sahaja. Frekuensi getaran
ditentukan oleh panjang tali gitar, ketebalan, ketegangan dan ketumpatannya,
dan aspek fizikal lain tali gitar yang terlibat dalam getaran tersebut. Jadi,
penalaan dilakukan dengan menyelaras aspek-aspek fizikal tali gitar tersebut.
Resonans
Apabila satu-satu tenaga hanya bergetar pada satu komponen
sinusoidal (atau pada satu frekuensi) sahaja, maka ia sedang berada dalam
keadaan resonans (English-resonance). Jika satu tali gitar bergetar hanya pada
satu frekuensi, maka ia sedang melakukan resonans. Apabila radio sedang
menerima hanya gelombang pada satu frekuensi siaran sahaja, maka ia juga sedang
melakukan resonans.
Ketika berlakunya resonans, tenaga menumpu hanya pada satu
frekuensi. Oleh itu kandungan tenaga tersebut tidak dikongsi oleh komponen sinusoidal yang lain. Oleh itu juga,
amplitud pada frekuensi tersebut merupakan amplitud yang tertinggi.
Sebagai contoh, tali gitar yang sedang resonans bergetar
pada amplitud tertingginya (berbunyi paling kuat) berbanding ketika ia bergetar
sumbang.
Radas yang paling biasa digunakan bagi menggambarkan
fenomena ini ialah bandul Barton (English-Barton’s pendulum). Bandul Barton
terdiri daripada sekumpulan bandul yang berlainan panjang tali, digantung pada
satu tali mendatar yang sama. Satu bandul asing digantungkan pada tali mendatar
tersebut, jauh sedikit berbanding kumpulan bandul tersebut.
(Sumber: http://www.one-school.net/Malaysia/UniversityandCollege/SPM/revisioncard/physics/wave/oscillation.html)
Gambar di atas menunjukkan bandul Barton.
Apabila bandul asing dihayunkan (bandul X), semua bandul
dalam kumpulan bandul akan menghayun. Satu fenomena penting dapat diperhatikan
di sini. Dalam semua bandul dalam kumpulan bandul, hanya satu sahaja bandul
yang menghayun paling tinggi berbanding bandul-bandul yang lain.
Bandul tersebut ialah bandul yang memiliki panjang tali yang
sama dengan bandul asing iaitu bandul D. Bandul tersebut sedang berada dalam
resonans dengan bandul asing, dan mendapat tenaga yang paling banyak dari
bandul X berbanding bandul-bandul lain dalam kumpulan bandul.
Pertindihan gelombang
Pertindihan gelombang (English-superposition) ialah fenomena
pembinaan dan penghapusan gelombang apabila dua atau lebih komponen sinusoidal
bercampur atau bertindih.
Pertindihan gelombang ialah proses tambah-tolak aritmetik
untuk puncak gelombang atau amplitud (English-amplitude).
Rajah menunjukkan proses pertindihan gelombang. Gambar kiri
adalah pertindihan gelombang dengan fasa yang sama manakala gambar kanan adalah
pertindihan gelombang dengan fasa yang berlainan.
Membentuk kembali gelombang asal daripada komponen
sinusoidal juga merupakan proses pertindihan gelombang. Sebagai contoh,
gelombang kotak boleh dibentuk kembali daripada komponen sinusoidalnya dengan
menindihkan komponen-komponen sinusoidal tersebut satu demi satu.
Sefasa dan tidak
sefasa; dan kesejajaran
Fasa ialah kedudukan gelombang dalam ruang pada satu ketika
ketika ia merambat. Dalam kumpulan komponen sinusoidal yang memiliki frekuensi yang sama, kedudukan setiap
darinya dalam garis masa tidak semestinya sama. Ada yang mula bergerak agak
lewat berbanding yang lain meskipun semuanya bergerak pada halaju yang sama.
Jika kumpulan komponen sinusoidal yang sama frekuensi berada pada fasa yang sama, maka ia berada dalam
keadaan sejajar (English-coherent).
Rajah di bawah menunjukkan dua gelombang dalam dua situasi
berbeza, yang sama frekuensi tetapi tidak sefasa (English-not in phase) di
sebelah kanan, manakala rajah di sebelah kiri menunjukkan dua gelombang yang
sama frekuensi dan juga sefasa (sejajar).
Apabila dua gelombang dalam kedua-dua rajah di atas bertindih,
didapati dua gelombang dalam rajah kiri yang sejajar menghasilkan gelombang
pada frekuensi sama tetapi dengan amplitud dua kali ganda amplitud asal. Dua
gelombang yang tidak sejajar dalam rajah kanan pula terhapus
(English-annihilated) selepas pertindihan.
Gelombang yang lebih kuat terhasil daripada kesejajaran.
Disebabkan itu, kesejajaran amat penting dalam proses
penghasilan tenaga seperti pemancar radio, dan LASER bagi menghasilkan satu
gelombang pada satu frekuensi tetap yang kuat dan bebas daripada hingar pada
frekuensi lain.
Contoh sistem
pengayun
Kita kembali semula kepada tajuk perbincangan asal, iaitu
sistem pengayun. Dari perbincangan mengenai tenaga, diharapkan para pembaca
dapat memahami apa dan mengapa kesejajaran dan kekuatan gelombang merupakan
perkara penting yang ingin dicapai dalam sistem pengayun.
Sistem pengayun boleh wujud secara semulajadi ataupun buatan
(diaplikasikan dalam teknologi moden).
Contoh sistem pengayun semulajadi ialah saraf manusia, sistem
penghasilan gelombang mikro oleh bintang di angkasaraya, dan sistem penghasilan
gelombang haba (inframerah) oleh matahari.
Pengayun mekanikal juga wujud dalam sistem jam bandul
(English-grandfather’s clock) bagi menghasilkan ayunan bandul yang sejajar
(tidak berubah-ubah tempoh ayunannya) dan kuat (tidak mengalami pelembapan
(English-damping) atau pengurangan amplitud ayunan).
Pelbagai teknologi moden diklasifikasikan sebagai sistem pengayun,
sebagai contoh
- LASER (light amplification by stimulated
emission of radiation ; penguatan cahaya menggunakan pancaran teraruhkan dari radiasi
- MASER hidrogen (maser – microwave amplification
by stimulated emission of radiation ; penguatan gelombang mikro menggunakan
pancaran teraruhan dari radiasi)
- Pengayun hablur (English-crystal oscillator)
- Pengayun gelombang mikro (English-microwave
oscillator)
Peranan setiap unsur
dalam sistem pengayun; penguat, penala dan suapbalik.
Ketika proses ke atas tenaga yang dibekalkan ke sistem
pengayun berlaku, setiap unsur dalam sistem pengayun yang disebutkan tadi
(penguat, penala dan suapbalik) yang memiliki peranan masing-masing, akan
mengolah tenaga tersebut seperti berikut:
a Penguat – menguatkan tenaga (English –amplify) mengikut
pekali tumbesaran (English – gain ) yang dimilikinya. Tenaga yang dibekalkan
masuk menerusi input akan ‘dibesarkan’ amplitudnya setelah melalui penguat. Ini
bermakna jika tenaga yang masuk ke dalam penguat adalah 1 kiloWatt, maka jika
pekali tumbesaran penguat ialah 5 per kilowatt, tenaga yang akan dikeluarkan
oleh penguat ialah 1 kilowatt x 5 per kilowatt = 5 kilowatt.
Penguat dalam sistem pengayun adalah satu blok dengan satu
input dan satu output. Sebenarnya, sistem penguat boleh diperincikan lagi
dengan menyertakan juga tenaga masuk dan keluar yang mengaktifkan/menghidupkan
penguat, dalam Rajah 6 di bawah.
[Rajah 6]
Dalam gambar atas, anak panah biru menunjukkan tenaga yang
ingin dikuatkan sementara anak panah merah adalah tenaga terbekal yang
mengaktifkan penguat agar dapat menjalankan fungsinya.
Gambar bawah pula menunjukkan contoh penguat yang biasa
digunakan dalam litar elektronik, iaitu op-amp (operational amplifier) sebagai
perbandingan.
Tenaga yang masuk menerusi input sebenarnya tidaklah
dibesarkan secara prinsipnya. Tumbesaran yang berlaku bukanlah kepada kandungan
tenaga yang masuk pada input, tetapi kepada isyarat yang dibawanya, iaitu isyarat
komponen sinusoidal. Tenaga yang dibekalkan kepada penguat menyalin apa-apa isyarat yang dibawa oleh tenaga yang masuk melalui
input. Disebabkan tenaga yang dibekalkan lebih besar daripada tenaga yang masuk
pada input, maka salinan yang dibuat adalah salinan isyarat input yang lebih besar. Salinan yang lebih besar
ini keluar sebagai output.
b)
Penala – mengumpul tenaga (English – storing
energy) untuk satu jangka masa, dan kemudian melepaskannya selepas tamat tempoh
tersebut menerusi jalan keluar atau output. Pengumpulan ini adalah bertujuan
mengubah fasa-fasa komponen yang tidak sejajar dan membenarkan
komponen-komponen ini mengalami pertindihan, agar hasil yang keluar ialah
sejajar. Penala juga berperanan menapis frekuensi tertentu dari campuran
komponen frekuensi dalam tenaga yang diterimanya, dan mengeluarkan hanya tenaga
dengan komponen frekuensi tersebut.
c)
Suapbalik
- menghantar sebahagian tenaga
yang dilepaskan penala kembali ke tempat di mana tenaga mula-mula dibekalkan
(tenaga disuapbalik ke tempat sebelum penguat, atau input)
Contoh-contoh penguat ialah :
Tiub tiub hampagas, transistor, diod Gunn, diod IMPATT,
hablur delima (penguat cahaya dalam laser), hidrogen
Contoh-contoh penala ialah;
Litar talaan (English-tune circuit), hablur quartz, kebuk
LASER (English – LASER cavity), kebuk gelombang mikro (English – microwave
cavity).
Rajah 7 di bawah merumuskan sistem-sistem pengayun yang
berlainan.
[Rajah 7]
Bagaimana pengayun
bekerja?
Pengayun bekerja dengan menguatkan isyarat gelombang rawak.
Semua tenaga di dunia ini wujud dalam bentuk gelombang.
Kebanyakkan tenaga adalah campuran gelombang sinusoidal yang digelar hingar
(English-noise) dan ada juga yang hanya terdiri daripada satu unsur gelombang
sinusoidal.
Katakan wujud hingar dalam sistem pengayun. Hingar ini sangat
lemah kandungan tenaganya. Hingar ini berasal dari getaran atom dalam sistem
pengayun. Ini kerana semua molekul dalam alam ini sentiasa bergerak.
Hingar ini bertanggungjawab memulakan ayunan dalam sistem
pengayun. Apabila tenaga terbekal masuk, ia akan ke penguat dahulu untuk
menghidupkannya. Jika tiada tenaga terbekal, maka penguat tidak akan berfungsi.
Penguat yang telah menerima tenaga terbekal akan berfungsi
dan boleh menguatkan sebarang isyarat termasuk hingar yang kecil (meskipun
hanya getaran kecil molekul). Jika hingar yang terhasil tadi masuk ke dalam
penguat, penguat akan menguatkan hingar tersebut dan meninggikan amplitudnya
dengan membenarkan tenaga terbekal menyalin isyarat yang dibawa hingar tersebut.
Hingar yang keluar daripada penguat adalah kuat tetapi tidak
sejajar (English-incoherent).
Sejajar bermaksud kesemua komponen sinusoidal dalam hingar
berada pada FREKUENSI yang sama dan FASA yang sama.
Untuk menghasilkan hingar hanya pada satu frekuensi sahaja,
maka kita memerlukan penala (English-resonator). Penala berfungsi menapis semua
komponen sinusoidal dalam hingar. Sebarang komponen sinusoidal yang tidak sama
dengan frekuensi aslinya akan disingkirkan, manakala semua komponen sinusoidal
yang sama akan dilepaskan.
Oleh itu, hingar yang keluar dari penala adalah hingar dengan
komponen sinusoidal yang berada pada frekuensi yang sama tetapi pada fasa yang
berlainan.
Maka bagaimana pula fasa kesemua komponen sinusoidal yang
sama frekuensi ini disamakan? Ia perlu disuapbalik ke dalam penguat.
Apabila suapbalik dikenakan ke atas sistem pengayun, maka
pembetulan berperingkat (English-iterative correction) ke atas fasa komponen
sinusoidal berlaku. Perbezaan fasa antara komponen sinusoidal yang sama
frekuensi ini akan semakin mengecil, dan komponen-komponen yang sama frekuensi
ini menjadi semakin sejajar.
Selepas suatu tempoh, tenaga yang masuk dan keluar menerusi
penguat adalah tenaga pada satu frekuensi dan fasa yang sama sahaja, serta
memiliki amplitud yang maksimum. Tenaga ini sedang berada pada keadaan yang
dikehendaki oleh sistem pengayun; iaitu kuat dan sejajar. Ia dilepaskan keluar
kemudiannya ke beban untuk aplikasi seterusnya.
Contoh 1: LASER
delima
Sistem LASER delima telah dijelaskan dengan terperinci dalam
rencana lepas
Penulis akan menerangkannya sekali lagi di sini menurut
teori sistem pengayun.
Dalam LASER delima, penguat ialah rod delima, penala ialah
kebuk laser itu sendiri (panjang dan diameternya) dan suapbalik ialah cermin
memantul penuh dan separa.
[Rajah 8]
Rajah rekabentuk LASER delima. LASER delima ialah LASER
pertama yang dicipta manusia. Ia dicipta oleh saintis Amerika Theodore Maiman
pada 1960 berasaskan teori pancaran teraruhkan (English-stimulated emission)
yang ditemui oleh Albert Einstein.
Tenaga dibekalkan kepada sistem pengayun LASER delima
menggunakan lampu pendaflour atau dari LASER yang lain. Cahaya ini menghidupkan
rod delima dan membolehkannya menguatkan sebarang hingar, yakni rod delima
tersebut sedang diaktifkan.
Dalam satu-satu ketika, salah satu dari atom dalam batu
delima bergerak dan menghasilkan hingar yang lebih kuat berbanding atom-atom
yang lain. Hingar ini dikuatkan oleh rod delima yang telah diaktifkan tersebut
dan menghasilkan hingar dalam bentuk pancaran teraruhkan (English-stimulated
emission)
Kebuk LASER delima memiliki panjang dan diameternya yang
akan menentukan komponen frekuensi yang mana daripada pancaran teraruhkan itu
yang akan dipilih. Satu-satu frekuensi dipilih adalah kerana gelombangnya boleh
bergerak dalam kebuk LASER pada panjang dan diameter sedemikian tanpa
dilemahkan oleh komponennya yang lain yang sama frekuensi tetapi berlainan
fasa.
Ini kerana komponen-komponen pada frekuensi yang sama tetapi
pada fasa berlainan boleh dikuatkan atau dilemahkan akibat pertindihan
gelombang atau superposisi (English-superposition) yang berlaku di antara
mereka.
Pancaran teraruhkan ini akan melalui suapbalik, iaitu dengan
dipantulkan oleh cermin memantul separa dan penuh yang diletakkan di kedua-dua
belah sisi kebuk LASER. Kedua-dua cermin ini menjadi suapbalik kerana ia
‘menyuap balik’ pancaran teraruhkan ini ke dalam rod delima untuk dikuatkan
lagi, dan seterusnya memulakan kitaran baru.
Pancaran teraruhkan ini akan dikuatkan sekali lagi oleh rod
delima dan kitaran yang sama akan berulang-ulang.
Seperti yang dijelaskan tadi, hanya satu sahaja komponen
sinusoidal dari pancaran teraruhkan yang tidak akan mengalami penghapusan
akibat dari fenomena pertindihan gelombang. Komponen sinusoidal ini memiliki
frekuensi yang sama dengan frekuensi yang dibenarkan oleh rekabentuk kebuk
LASER yang memiliki panjang dan diameter sedemikian.
Maka, komponen ini juga merupakan satu-satunya komponen dari
pancaran teraruhkan yang akan berjaya melepasi atau ‘survive’ kitaran-kitaran
dalam sistem pengayun LASER, sehingga apabila ia cukup kuat dan sejajar, akan
keluar sebagai sinar LASER menerusi titik lemah atau output yang diletakkan
pada sistem, iaitu cermin memantul separa.
Apabila difikirkan kembali, kebuk LASER yang merupakan
penala (English-resonator) dalam sistem ini, menjalankan beberapa tugasan
penting. Ia menjadi penapis frekuensi (English-frequency filter), ia juga
menjadi penyimpan tenaga (English-storage) untuk satu-satu masa. Kebolehan
kebuk LASER menyimpan tenaga akan menentukan sama ada komponen sinusoidal yang
disokongnya itu akan bertahan lama dalam kebuk LASER atau mudah melembap dan
mati akibat terlalu mudah keluar dari kebuk sebagai haba mahupun sinar LASER
yang bocor.
Jika suatu komponen sinusoidal itu dapat bertahan lama dalam
kebuk, maka ia akan dikuatkan dengan mudah dan tidak banyak tenaga dibazirkan.
Kebuk dengan mutu sebegini memiliki Q yang tinggi, di mana Q ialah nisbah
tenaga yang boleh disimpan oleh satu-satu penala dengan tenaga yang terbocor
(English-leaked energy) darinya.
Contoh 2: Pengayun gelombang mikro, PGM (English-microwave
oscillator)
Pengayun gelombang mikro ialah sejenis sistem pengayun untuk
menghasilkan gelombang mikro berkuasa rendah seperti yang digunakan dalam
telekomunikasi tanpa wayar seperti Bluetooth, Wifi dan telefon bimbit. Untuk
gelombang mikro berkuasa tinggi seperti yang digunakan dalam ketuhar gelombang
mikro dan RADAR, teknologi seperti magnetron, klystron dan tiub berperambatkan
gelombang (English-travelling wave tube) digunakan.
Dalam PGM, penguat ialah peranti aktif elektronik untuk
gelombang mikro iaitu diod Gunn, diod IMPATT dan transistor gelombang mikro,
penala ialah kebuk gelombang mikro dan suapbalik ialah salur gelombang seperti
gegelung wayar, antenna atau salur berlengan (English-coaxial cable).
[Rajah 9]- Salur berlengan
Tenaga yang dibekalkan kepada PGM ialah tenaga elektrik.
Tenaga elektrik ini akan mengaktifkan penguat dan membolehkannya menguatkan
sebarang hingar yang terdapat di dalam sistem PGM.
Sepertimana LASER, hingar akan dihasilkan oleh mana-mana
molekul yang bergetar lebih kuat berbanding molekul yang lain. Dalam kes PGM,
hingar dihasilkan sendiri oleh penguat. Hingar ini yang merupakan campuran
gelombang atau komponen sinusoidal akan dikuatkan oleh penguat.
Hingar yang kuat ini ialah arus elektrik ulang alik yang
akan mengalir di seluruh bahagian kebuk gelombang mikro (GM), dan menghasilkan
gelombang elektromagnet dengan campuran frekuensi yang pelbagai yang akan
saling merambat, dipantulkan dan diserap di dalam kebuk gelombang mikro.
Akibat fenomena pertindihan gelombang, sebahagian daripada
gelombang akan terhapus. Sepertimana kebuk LASER, kebuk GM juga memiliki ukuran
dan saiznya. Ini menentukan frekuensi gelombang elektromagnet yang mana yang
akan kekal berada di dalam kebuk tersebut tanpa mengalami kehilangan atau
ditapis keluar.
Sepertimana yang berlaku di dalam LASER di mana hanya
frekuensi pancaran teraruhkan yang tertentu sahaja yang dibenarkan bergerak di
dalam kebuk, begitu juga dengan kebuk GM. Hanya frekuensi gelombang
elektromagnet tertentu sahaja yang dibenarkan bergerak di dalam kebuk.
Disebabkan frekuensi gelombang ini berada dalam julat gelombang mikro dalam
spektrum gelombang elektromagnet, maka gelombang yang ditinggalkan bergerak
dalam kebuk GM ialah gelombang mikro.
Gelombang mikro akan melalui suapbalik dan kembali semua ke
penguat dan dikuatkan lagi. Kemudian gelombang mikro yang semakin kuat ini
dihantar sekali lagi ke penala iaitu kebuk GM, dipantulkan berulang-ulang
sehingga apabila ia cukup kuat, keluar sebagai gelombang mikro yang sejajar dan
kuat melalui antenna.
Contoh 3: Pengayun hablur
Pengayun hablur ialah sejenis pengayun yang menukarkan
tenaga elektrik kepada tenaga elektrik ulang alik yang akan dipancarkan sebagai
gelombang elektromagnet.
Sepertimana LASER dan PGM, sistem ayunan dalam pengayun
hablur dimulakan oleh hingar yang terdapat dalam hablur quartz.
Hablur quartz memiliki kebolehan menukarkan tenaga mekanikal
kepada elektrik, dan menukarkan tenaga elektrik kembali kepada tenaga mekanikal.
Ini bermakna, jika kita menekan hablur ini, beza keupayaan akan terhasil dan
arus akan mengalir sekiranya terdapat rintangan. Manakala jika kita membekalkan
beza keupayaan ke atas hablur ini, bentuknya akan berubah. Jika beza keupayaan
tersebut ialah ulang-alik (English-alternating voltage), hablur ini akan
bergetar.
Hingar yang terhasil dalam hablur quartz ini akan
diperbesarkan oleh penguat yang lazimnya transistor kesan medan seperti JFET.
Hingar yang diperbesarkan, dalam bentuk arus ulang-alik, akan disuapbalik ke
hablur.
Akibat daripada itu, hablur akan bergetar pada frekuensi
aslinya, sekaligus membenarkan hanya satu komponen sinusoidal untuk arus
ulang-alik yang masuk melepasi proses tersebut. Komponen sinusoidal ini, sama
frekuensi dengan frekuensi asli hablur, akan disuap balik berulang kali
sehingga getaran hablur mencapai kestabilan pada frekuensi tersebut.
Hasil akhir getaran hablur ini ditukarkan oleh hablur dan
keluar sebagai gelombang arus elektrik ulang alik yang sejajar dan kuat, dan meninggalkan keseluruhan sistem pengayun
hablur untuk ke bahagian seterusnya seperti antena atau kapasitor.
Kesan Rama-rama dan
sistem pengayun
Pernahkah anda mendengar mengenai Kesan Rama-rama? Ia pernah
dijadikan tema filem Hollywood iaitu The Butterfly Effect. Kesan Rama-rama
ialah sejenis teori yang menjelaskan bahawa sebarang perubahan besar boleh
dimulakan oleh sebarang perubahan kecil.
Kesan Rama-rama dinamakan sedemikian kerana ia menggunakan
perumpamaan bahawa kibasan sayap rama-rama mampu menghasilkan taufan dengan
menggerakkan molekul-molekul udara secara beransur-ansur.
Kesan Rama-rama juga dikenali sebagai Kesan Bebola Salji. Ia
nama berlainan untuk teori yang sama. Untuk perumpamaan bebola salji, bayangkan
anda membiarkan sebiji bebola salji menuruni sebuah cerun yang turut memiliki
salji di sepanjang permukaan cerunnya. Bebola tersebut akan berguling menuruni
cerun dan menjadi semakin besar kerana di sepanjang penurunannya, salji
berkumpul dan terus berkumpul di permukaan bebola sehingga ia menjadi semakin
besar.
Kesan Rama-rama dan Kesan Bebola Salji adalah contoh proses
tumbesaran tidak terkawal (English-uncontrolled growth). Dalam proses sebegini,
tidak ada keadaan stabil dicapai. Jika proses tersebut merupakan sebuah ayunan
atau getaran gelombang, gelombang tersebut akan bergetar dengan amplitud yang
semakin besar dan tidak akan mencapai kestabilan.
Kesan ini juga berlaku dalam letupan nuklear. Letupan
nuklear adalah tindak balas berantai (English-chain reaction) yang tidak
terkawal. Ia bermula dengan tembakan neutron ke atas unsur radioaktif yang
kemudiannya melarat sehingga tembakan berjuta-juta atom yang sama, yang
membentuk letupan cendawan. Jika tindak balas berantai ini dikawal, ia boleh
dimanfaatkan untuk tujuan penjanaan kuasa elektrik.
[Rajah 10]
Tindak balas tidak terkawal nuklear.
Kesan Rama-rama boleh berlaku dalam sistem pengayun jika
sistem tersebut tidak memiliki jalan keluar atau output. Dalam sistem pengayun
sebegini, jalan keluar tidak disertakan. Maka output tidak wujud. Akibatnya,
sebarang hingar yang bermula dalam penguat akan dibesarkan secara terus menerus
(English-ever increasing growth rate) dan akan terus membesar sehingga
memusnahkan sistem tersebut dengan sendirinya (English-self destruction) kerana
suapbalik.
Sistem pengayun yang tidak memiliki jalan keluar juga
dinamakan sebagai sistem suapbalik positif. Ini kerana output akan senantiasa
ditambah kepada tenaga terbekal. Sistem dengan jalan keluar dinamakan sistem
suapbalik negatif.
Oleh itu, adalah penting untuk memasang jalan keluar atau
output dalam merekabentuk sistem pengayun. Dalam LASER, cermin memantul separa
berperanan sebagai jalan keluar cahaya LASER, sementara antena pula berperanan
sama dalam sistem pengayun gelombang radio dan mikro.
Kesimpulan
Sistem pengayun boleh dicipta secara eksperimen dengan
mencuba menggabung apa sahaja jenis penguat, penala dan suap balik membentuk
satu sistem pengayun dan mengujikaji sama ada ia berfungsi sebagai sistem
pengayun atau sebaliknya (sama ada ia mengeluarkan tenaga yang sejajar dan kuat
atau sebaliknya).
Penguat yang baru boleh wujud dalam pelbagai bentuk; sama
ada ia bahan semikonduktor, galian, logam atau bahan buatan manusia. Saintis
masih mencari dan menggabung pelbagai jenis bahan untuk menghasilkan penguat
yang baru, sama ada untuk menguatkan tenaga elektrik, gelombang radio, mahupun
cahaya.
Pendek kata, sistem pengayun direka oleh 1001 kaedah dan
jenis penguat dan penala. Eksperimen perlu diluaskan untuk meneruskan agenda
penghasilan sistem pengayun yang baru. Malah sistem pengayun tidak terhad hanya
kepada tenaga radio dan cahaya; bahkan ia boleh diluaskan sehingga kepada apa
sahaja jenis tenaga kerana semua tenaga wujud dalam bentuk gelombang.
Malah sistem pengayun untuk tenaga mekanikal dan bunyi juga
telah dicipta. Sistem pengayun untuk tenaga mekanikal terdapat dalam jam bandul
(English-grandfather’s clock) untuk menguatkan ayunan bandul agar tidak
mengalami pelembapan (English-damping) dan membenarkan ia berayun berterusan
dan stabil pada satu frekuensi yang sama untuk jangka masa yang lama.
Sistem pengayun untuk bunyi pula telah dicipta untuk
menstabilkan frekuensi bunyi agar tidak sumbang. Kita ambil contoh sebuah
gitar. Penala ialah tali gitar itu sendiri, sementara suapbalik adalah udara di
dalam kotak gitar tersebut. Apabila tali gitar dipetik, ia akan menggetarkan
udara di sekelilingnya, memberikan hingar.
Hingar ini akan bergerak ke dalam kotak gitar dan
dipantulkan (disuapbalik) ke tali gitar dan tali gitar berfungsi sebagai
penala, menerima tenaga dari hingar tersebut dan menguatkan getaran hanya pada
satu frekuensi sahaja. Dalam sistem pengayun ini, tiada penguat yang digunakan.
Maka tenaga bunyi yang terhasil adalah tenaga bunyi yang sejajar pada satu
frekuensi tetapi tidak dikuatkan. Ini kerana sistem pengayun bunyi tidak
memiliki bahan aktif yang memiliki pekali tumbesaran sebagaimana sistem
elektronik dan gelombang mikro.