Разновидности контроля и методы измерения силовых качеств. Приборы для измерения силы Каковы способы измерения силы
Для измерения сил используют различные физические эффекты, для которых характерны определенная зависимость между силой и другой величиной, например деформацией (относительной или абсолютной), давлением, пьезоэлектричеством, магнитострикцией и т.д. Наиболее распространенным методом измерения силы является использование упругой деформации пружинных элементов (например, пружинные весы). В пределах действия закона Гука наблюдается пропорциональная зависимость между силой F и деформацией ε или Dl : F ~ e ~ Dl.
Деформацию чаще всего измеряют описанными выше электрическими, оптическими или механическими методами.
В зависимости от выбранного метода и диапазона измерения деформируемый чувствительный элемент (воспринимающий деформацию) выполняют таким образом, что деформация воспроизводится в виде растяжения или сжатия, т.е. как изменение начальной длины (базы). Упругий элемент совместно с приданными ему элементами, выполняющими функции преобразования (механическими, электрическими или др.), защитным корпусом и т.д. образует преобразователь силы (динамометр). Несмотря на разнообразие требований в отношении номинальной нагрузки, особенностей, обусловленных техникой измерений и другими причинами, все упругие элементы можно свести к сравнительно небольшому числу основных типов.
Механические динамометры используют преимущественно для единичных измерений в особо суровых условиях эксплуатации, а также там, где допустима сравнительно небольшая точность. Однако применение для измерения деформаций чувствительных измерительных приборов (микрометра, микроскопа) позволяет при помощи механических динамометров достигать хорошей точности.
В других динамометрах изменение длины упругого элемента преобразуется в перемещение по шкале светового указателя, отклоняемого прикрепленным к упругому элементу поворотным зеркалом (прибор Мартенса). При квалифицированном обслуживании с учетом многих обязательств, связанных с техникой измерения, можно добиться высокой точности результатов. Вследствие ряда трудностей эти приборы применяют почти исключительно для испытания и градуировки.
Гидравлические динамометры можно использовать для измерений со средней точностью в тяжелых условиях эксплуатации. В качестве показывающих приборов в них применяют измерители давления с трубкой Бурдона. Их, как правило, монтируют непосредственно на динамометре; в случае надобности они могут быть соединены с динамометром капиллярной трубкой длиной в несколько метров. Такие измерительные устройства допускают подключение самопишущих приборов.
Электрические динамометры. Быстрое развитие электротехники и электроники привело к широкому распространению электрических методов измерения механических величин, в частности силы. Сначала механические преобразователи деформации в механических динамометрах были заменены электрическими (например, механические преобразователи перемещений – индуктивными). С развитием тензорезисторов открылись новые возможности. Независимо от этого были, однако, усовершенствованы и другие электрические методы измерения и разработаны новые способы измерений.
При выборе большое значение имеет точность измерения.
1.2.1 Электрические тензорезисторные динамометры.
Среди динамометров имеют наибольшее значение, а именно тензорезисторные динамометры. Диапазон измерения этих динамометров необычайно широк – имеются динамометры на номинальные силы от 5 Н до более чем 10 МН. высокая точность измерения. погрешность 0,03 % и даже 0,01 %.
Конструктивное исполнение, основные типы. В простейшем виде упругий чувствительный элемент динамометра представляет собой стержень, нагруженный вдоль оси. Чувствительные элементы этого типа используют для измерений в диапазоне от 10 кН до 5 МН. При нагружении стержень сжимается, причем в соответствии с коэффициентом Пуассона одновременно увеличивается его диаметр. Тензорезисторы, наклеенные на стержень в области однородного силового поля, включают в схему моста Уитстона так, что в двух противоположных его плечах оказываются тензорезисторы, решетки которых направлены вдоль оси стержня или перпендикулярно ей.
Кроме тензорезисторов, в схему моста Уитстона входят дополнительные схемные элементы, служащие для компенсации различных зависящих от температуры эффектов, таких, например, как нестабильность нуля, изменение модуля упругости и теплового расширения материала чувствительного элемента, изменения чувствительности тензорезистора, а также линеаризации характеристики динамометра.
Выходное напряжение пропорционально относительной деформации, а последняя, в соответствии с законом Гука, пропорциональна нагрузке стержня.
Для расширения пределов измерений до 1 – 20 МН в целях лучшего распределения напряжений упругий элемент часто выполняют в виде трубы, и тензорезисторы наклеивают на его внутреннюю и наружную поверхности.
На рис.1 представлены некоторые типы упругих элементов для тензорезисторных динамометров.
Для измерения сил в меньшем диапазоне (примерно до 5 Н) и увеличения показания применяют чувствительные элементы, в которых используются не продольные деформации, а деформации изгиба.
Нам уже известно, что для описания взаимодействия тел используется физическая величина, называемая силой. На этом уроке мы подробнее познакомимся со свойствами этой величины, единицами силы и прибором, который используется для ее измерения - с динамометром.
Тема: Взаимодействие тел
Урок: Единицы силы. Динамометр
Прежде всего, вспомним, что такое сила. Когда на тело действует другое тело, физики говорят, что со стороны другого тела на данное тело действует сила.
Сила - это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое.
Сила обозначается латинской буквой F , а единица силы в честь английского физика Исаака Ньютона называется ньютоном (пишем с маленькой буквы!) и обозначается Н (пишем заглавную букву, так как единица названа в честь ученого). Итак,
Наравне с ньютоном, используются кратные и дольные единицы силы:
килоньютон 1 кН = 1000 Н;
меганьютон 1 МН = 1000000 Н;
миллиньютон 1 мН = 0,001 Н;
микроньютон 1 мкН = 0,000001 Н и т. д.
Под действием силы скорость тела изменяется. Другими словами, тело начинает двигаться не равномерно, а ускоренно. Точнее, равноускоренно : за равные промежутки времени скорость тела меняется одинаково. Именно изменение скорости тела под действием силы физики используют для определения единицы силы в 1 Н.
Единицы измерения новых физических величин выражают через так называемые основные единицы - единицы массы, длины, времени. В системе СИ - это килограмм, метр и секунда.
Пусть под действием некоторой силы скорость тела массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с за каждую секунду . Именно такая сила и принимается за 1 ньютон .
Один ньютон (1 Н) - это сила, под действием которой тело массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с каждую секунду.
Экспериментально установлено, что сила тяжести, действующая вблизи поверхности Земли на тело массой 102 г, равна 1 Н. Масса 102 г составляет приблизительно 1/10 кг, или, если быть более точным,
Но это означает, что на тело массой 1 кг, то есть на тело в 9,8 раз большей массы, у поверхности Земли будет действовать сила тяжести 9,8 Н. Таким образом, чтобы найти силу тяжести, действующую на тело любой массы, нужно значение массы (в кг) умножить на коэффициент, который принято обозначать буквой g :
Мы видим, что этот коэффициент численно равен силе тяжести, которая действует на тело массой 1 кг. Он носит название ускорение свободного падения . Происхождение названия тесно связано с определением силы в 1 ньютон. Ведь если на тело массой 1 кг действует сила не 1 Н, а 9,8 Н, то под действием этой силы тело будет изменять свою скорость (ускоряться) не на 1 м/с, а на 9,8 м/с каждую секунду. В старшей школе этот вопрос будет рассмотрен более подробно.
Теперь можно записать формулу, позволяющую рассчитать силу тяжести, действующую на тело произвольной массы m (Рис. 1).
Рис. 1. Формула для расчета силы тяжести
Следует знать, что ускорение свободного падения равно 9,8 Н/кг только у поверхности Земли и с высотой уменьшается. Например, на высоте 6400 км над Землей оно меньше в 4 раза. Однако при решении задач этой зависимостью мы будем пренебрегать. Кроме того, на Луне и других небесных телах также действует сила тяжести, и на каждом небесном теле ускорение свободного падения имеет свое значение.
На практике часто приходится измерять силу. Для этого используется устройство, которое называется динамометр. Основой динамометра является пружина, к которой прикладывают измеряемую силу. Каждый динамометр, помимо пружины, имеет шкалу, на которую нанесены значения силы. Один из концов пружины снабжен стрелкой, которая указывает на шкале, какая сила приложена к динамометру (Рис. 2).
Рис. 2. Устройство динамометра
В зависимости от упругих свойств пружины, использованной в динамометре (от ее жесткости), под действием одной и той же силы пружина может удлиняться больше или меньше. Это позволяет изготавливать динамометры с различными пределами измерения (Рис. 3).
Рис. 3. Динамометры с пределами измерения 2 Н и 1 Н
Существуют динамометры с пределом измерения в несколько килоньютонов и больше. В них используется пружина с очень большой жесткостью (Рис. 4).
Рис. 4. Динамометр с пределом измерения 2 кН
Если подвесить к динамометру груз, то по показаниям динамометра можно определить массу груза. Например, если динамометр с подвешенным к нему грузом показывает силу 1 Н, значит, масса груза равна 102 г.
Обратим внимание на то, что сила имеет не только численное значение, но и направление. Такие величины называют векторными. Например, скорость - это векторная величина. Сила - также векторная величина (говорят еще, что сила - вектор).
Рассмотрим следующий пример:
Тело массой 2 кг подвешено на пружине. Необходимо изобразить силу тяжести, с которой Земля притягивает это тело, и вес тела.
Вспомним, что сила тяжести действует на тело, а вес - это сила, с которой тело действует на подвес. Если подвес неподвижен, то численное значение и направление веса такие же, как у силы тяжести. Вес, как и сила тяжести, рассчитываются по формуле, изображенной на рис. 1. Массу 2 кг необходимо умножить на ускорение свободного падения 9,8 Н/кг. При не слишком точных расчетах часто ускорение свободного падения принимают равным 10 Н/кг. Тогда сила тяжести и вес приблизительно будут равны 20 Н.
Для изображения векторов силы тяжести и веса на рисунке необходимо выбрать и показать на рисунке масштаб в виде отрезка, соответствующего определенному значению силы (например, 10 Н).
Тело на рисунке изобразим в виде шара. Точка приложения силы тяжести - центр этого шара. Силу изобразим в виде стрелки, начало которой расположено в точке приложения силы. Стрелку направим вертикально вниз, так как сила тяжести направлена к центру Земли. Длина стрелки, в соответствии с выбранным масштабом, равна двум отрезкам. Рядом со стрелкой изображаем букву , которой обозначается сила тяжести. Так как на чертеже мы указали направление силы, то над буквой ставится маленькая стрелка, чтобы подчеркнуть, что мы изображаем векторную величину.
Поскольку вес тела приложен к подвесу, начало стрелки, изображающей вес, помещаем в нижней части подвеса. При изображении также соблюдаем масштаб. Рядом помещаем букву , обозначающую вес, не забывая над буквой поместить небольшую стрелку.
Полное решение задачи будет выглядеть так (Рис. 5).
Рис. 5. Оформленное решение задачи
Еще раз обратите внимание на то, что в рассмотренной выше задаче численные значения и направления силы тяжести и веса оказались одинаковыми, а точки приложения - различными.
При расчете и изображении любой силы необходимо учитывать три фактора:
· численное значение (модуль) силы;
· направление силы;
· точку приложения силы.
Сила - физическая величина, описывающая действие одного тела на другое. Обычно она обозначается буквой F . Единица измерения силы - ньютон. Для того чтобы рассчитать значение силы тяжести, необходимо знать ускорение свободного падения, которое у поверхности Земли составляет 9,8 Н/кг. С такой силой Земля притягивает к себе тело массой 1 кг. При изображении силы необходимо учитывать ее числовое значение, направление и точку приложения.
Список литературы
- Перышкин А. В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
Домашнее задание
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов №327, 335-338, 351.
Определение силы в неявной форме содержится в трех законах движения Ньютона.
1. Всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока какие ни будь силы не выведут его из этого состояния.
2. Ничем не уравновешенная сила сообщает телу ускорение в том направлении, в котором она действует. Это ускорение пропорционально силе и обратно пропорционально массе тела.
3. Если тело А действует с некоторой силой на тело В , то тело В действует с такой же, но противоположно направленной силой на тело А .
На основе второго закона Ньютона определяют единицу силы как произведение массы на ускорение (F = ma). Существует и другая формулировка второго закона Ньютона. Количество движения тела равно произведению его массы на скорость его движения, так что ma - это скорость изменения количества движения. Сила, действующая на тело, равна скорости изменения его количества движения. Есть разные способы измерения силы. Иногда для этого достаточно уравновесить силу грузом или определить, насколько она растягивает пружину. Иногда силы можно вычислить из других наблюдаемых величин, например, ускорений, при рассмотрении прыжков или метаний снарядов. В других случаях лучше всего использовать один из многочисленных электрических приборов, известных под названием механоэлектрических преобразователей. Эти приборы под действием приложенных сил генерируют электрические сигналы,
которые можно усилить и зарегистрировать в виде какой-либо записи и преобразовать в величины силы.
Сила действия человека зависит от состояния данного человека и его волевых усилий, то есть стремления проявить ту или иную величину силы, в частности, максимальную силу, а также от внешних условий, в частности, от параметров двигательных заданий, например, суставных углов в биоцепях тела.
От уровня развития силовых качеств зависят достижения практически во всех видах спорта, и поэтому методам контроля и
совершенствования этих характеристик уделяется значительное внимание.
Способы измерения силы
Методы контроля силовых качеств имеют давнюю историю.
Первые механические устройства, предназначенные для измерения силы человека, были созданы еще в XVIII в. При контроле силовых качеств обычно учитывают три группы показателей.
1. Основные: а) мгновенные значения силы в любой момент движения (в частности, максимальная сила); б) средняя сила.
2. Интегральные, такие как импульс силы.
3. Дифференциальные, например, градиент силы.
Максимальная сила весьма наглядна, но в быстрых движениях сравнительно плохо характеризует их конечный результат (например, корреляция максимальной силы отталкивания и высоты прыжка может быть близка к нулю).
Согласно законам механики конечный эффект действия силы, в
частности, усилие, достигнутое в результате изменения скорости движения тела, определяется импульсом силы. Если сила постоянна, то импульс - это произведение силы на время ее действия (Si =F· ∆t ). В других условиях, например, при ударных взаимодействиях, расчеты импульса силы проводятся путем интегрирования, поэтому показатель называется интегральным. Таким образом, наиболее информативен импульс силы при
контроле ударных движений (в боксе, по мячу и т. п.).
Средняя сила - это условный показатель, равный частному от деления импульса силы на время ее действия. Введение средней силы равносильно предположению, что на тело в течение того же времени действовала постоянная сила (равная средней).
Различают два способа регистрации силовых качеств:
1) без измерительной аппаратуры (в этом случае оценка уровня силовой подготовленности проводится по тому максимальному весу, который способен поднять или удержать спортсмен);
2) с использованием измерительных устройств - динамометров
или динамографов.
Все измерительные процедуры проводятся с обязательным
соблюдением общих для контроля физической подготовленности
метрологических требований. Необходимо также строго
соблюдать специфические требования к измерению силовых
1) определять и стандартизировать в повторных попытках
положение тела (сустава), в котором проводится измерение;
2) учитывать длину сегментов тела при измерении моментов
3) учитывать направление вектора силы.
Контроль силовых качеств без измерительных устройств . В массовом спорте об уровне развития силовых качеств часто судят по результатам соревновательных или тренировочных упражнений. Существует два способа контроля: прямой и косвенный . В первом случае максимум силы соответствует тому наибольшему весу, который может поднять спортсмен в технически сравнительно простом движении (например, жиме штанги лежа). Во втором случае измеряют не столько абсолютную силу, сколько скоростно-силовые качества или силовую выносливость. Для этого используют такие упражнения, как прыжки в длину и высоту с места, метание набивных мячей, подтягивания и т. п.
посредством акселерометра; измерением амплитуды и частоты колебаний
2. Сравнением неизвестной силы с силой тяжести Р =mg: непосредственным нагружением образцовыми гирями;
посредством гидропередачи и образцовых гирь;
посредством рычагов и образцовых гирь;
посредством рычагов и маятника
3. Измерением упругой деформации
тела, взаимодействующего с неиз-
вестной силой F = с |; посредством датчиков деформации; посредством датчиков перемещения 4. Сравнением неизвестной силы с силой взаимодейтсвия тока с магнитным полем F = / В I sin a посредством электродинамического силовозбудителя. Измерение переменной гармонической силы путем определения амплитуды и частоты колебаний тела с известной массой может быть осуществлено с высокой точностью. Массу можно измерить с погрешностью, не превышающей нескольких тысячных долей процента. С такой же точностью можно измерить и частоту колебаний. Амплитуду колебаний тела с известной массой можно измерить с погрешностью, не превышающей нескольких десятых долей процента, которая, по существу, и будет определять погрешность измерения силы указанным методом.
Метод измерения силы сравнением неизвестной силы с силой тяжести исполь-
зуют при точных измерениях и воспроизведении статических и квазистатических сил.
Метод непосредственного нагружения используют для создания Государственных первичных эталонов единицы силы, воспроизводящих ее с наивысшей точностью.
Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и образцовых гирь используют для создания образцовых средств второго разряда для измерения силы, обеспечивающих ее измерение с погрешностью, не превышающей 0,2 % измеряемой величины, а также в силоизмерителях испытательных машин, обеспечивающих измерение силы с погрешностью, не превышающей 1 % измеряемой силы в диапазоне 0,04 - 1 от верхнего предела силоизмерителя.
Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством гидропередачи и образцовых гирь используют также в образцовых средствах второго разряда для измерения силы и в силоизмерителях испытательных машин. Для ис-
ключения трения в гидропередаче применяют пару поршень-цилиндр, в которой один из элементов вращается относительно другого.
Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и маятника используют в силоизмерите-лях испытательных машин.
Все средства для измерения силы, основанные на методах сравнения неизвестной силы с силой тяжести, обычно представляют собой стационарные установки. Процесс сравнения сил в этих установках механизирован.
Измерение силы посредством измерения упругой деформации тела, взаимодействующего с неизвестной силой, является самым распространенным методом, который используют как в стационарных, так и в переносных средствах для измерения статических и переменных во времени сил. Этот метод используют в образцовых динамометрах первого разряда, обеспечивающих передачу единицы силы от Государственного эталона к образцовым средствам второго разряда с погрешностью, не превышающей 0,1 % измеряемой силы. Кроме того, этот метод используют в рабочих средствах измерения статических и переменных во времени сил.
Метод позволяет создать стационарные и переносные средства измерения растягивающих и сжимающих сил - динамометры, которые содержат упругий элемент, снабженный для его включения в силовую цепь захватами либо опорами. В упругом элементе возникает сила реакции, противодействующая измеряемой силе. Упругий элемент может быть электрически неактивным либо электрически активным, т. е. он является одновременно и чувствительным элементом.
Упругий электрически неактивный элемент выполняет чисто механические функции. Возникающая деформация упругого элемента воспринимается чувствительным элементом, которым может быть либо датчик деформации, либо
датчик перемещения, преобразующий ее в выходную величину.
Упругий, электрически активный элемент реагирует на созданное измеряемой силой поле механических напряжений или деформаций изменением своих электрических или магнитных характеристик. К упругим, электрически активным элементам относят, например, пьезоэлектрические и магнитоанизотропные.
Для достижения оптимальных метрологических характеристик динамометра необходимо соблюдение нескольких принципов.
Принцип цельности конструкции. Измеряемая сила должна передаваться в динамометре по сплошной среде из одного материала. Нарушение сплошности конструкции упругого элемента является причиной возникновения трения между сопрягаемыми элементами. С этим трением связаны погрешности измерения силы, которые могут быть значительными.
Принцип интегрирования. Динамометр тем точнее, чем лучше чувствительный элемент распределен по поперечному сечению упругого элемента. С этой целью используют усреднение - интегрирование напряжения или деформации упругого элемента, которое можно охарактеризовать или как мнимое, или как действительное.
При мнимом интегрировании о всем поле напряжения или деформации, а следовательно, и об измеряемой силе судят по состоянию в одной точке этого поля. При этом предполагают, что внутри ограниченной области упругого элемента существует определенное механическое поле, которое не зависит от точки приложения силы. Это дает возможность использовать один чувствительный элемент. Конструктивными решениями, обеспечивающими мнимое интегрирование, являются удаление силовосприни-мающих частей упругого элемента от области расположения чувствительного элемента, ограничение области возможных точек приложения силы.
