Dynamometr je zařízení pro měření síly.
Slovo “dynamometr” je odvozeno ze dvou řeckých slov: “dynamis” – “síla” a “metreo” – “měřit”.
Uvažujme o nejjednodušším typu dynamometru – pružině. To nám pomůže pochopit princip fungování zařízení. Jeho hlavní částí je ocelová pružina.
Není těžké uhodnout, že když zavěsíte zátěž na pružinu, natáhne se. Jinými slovy, pozorovatel vidí, že na zavěšené těleso působí síla a může určit její velikost.
Zařízení pružinového dynamometru
Jak vyrobit jednoduchý dynamometr?
Jednoduchý pružinový dynamometr si můžete vyrobit sami (obrázek 1). Skládá se z několika částí:
- ocelová pružina s háčkem a ukazatelem na konci;
- pouzdro pro montáž pružiny;
- měřítko.
Nejprve upevníme pružinu na tělo tak, aby její spodní konec zůstal volný. Poté k němu připojíme ukazatel. Pokud uvolníte poslední závit pružiny, může být použit jako ukazatel.
Z minulé lekce víme, že na zátěž o hmotnosti $frac prostor kg$ ($102 prostor g$) bude působit gravitační síla rovnající se $1 prostoru N$. Zavěste tedy zátěž uvedené hmoty na háček a uvidíte, jak moc se pružina natáhne.
Pokud se pružina přestane natahovat a zatížení se zastaví, znamená to, že gravitační síla působící na tělo a pružná síla pružiny jsou stejné. Novou pozici ukazatele označíme na papíře vložením čísla 1 (obrázek 1, b).
Takže jsme již dostali začátek stupnice a musíme v něm pokračovat. A můžete to udělat různými způsoby:
- Střídavě zavěšujte závaží o hmotnosti 204 $ prostor g$, 306 $ space g$, 408 $ space g$ atd. a poznamenejte si příslušné značky: 2, 3, 4 atd.
- Použijte dvě dostupné značky (0 a 1) a pomocí pravítka odložte segmenty stejné délky a označte je čísly 2, 3, 4 atd.
Nyní máme stupnici, která nám umožňuje měřit sílu na nejbližší celé číslo. Ale přesnost naší stupnice lze zlepšit na desetiny přidáním dalších dílků – 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 atd.
Jak umístit dílky odpovídající $0.1 mezerě Н$ na stupnici dynamometru?
Chcete-li to provést, rozdělte vzdálenost mezi značkami 0 a 1 na 10 stejných částí a umístěte odpovídající tahy. Podobně rozdělíme další segmenty na části (mezi značkami 2 a 3, 3 a 4 atd.).
Popsanou metodou jsme zkalibrovali váhu, jejíž cena dílku je rovna $0.1 prostor Н$.
Princip činnosti dynamometru
Vidíme tedy, že pro měření síly působící na zátěž je nutné ji vyrovnat s tahovou silou pružiny dynamometru. Ukazatel připevněný k pružině ukáže velikost této síly podle stupnice. Můžeme tedy dojít k závěru, že:
Konstrukce dynamometru je založena na porovnání naměřené síly s pružnou silou pružiny.
Pokud například zavěsíme břemeno nějaké hmotnosti, porovnáme gravitační sílu působící na toto břemeno a velikost pružné síly natažené pružiny.
Pokud vezmeme háček na konci pružiny a zatáhneme za něj, pak porovnáme sílu, kterou působíme, s pružnou silou pružiny (obrázek 3). Pomocí siloměru tedy můžete měřit různé síly.
Připomeňme si Hookův zákon – ten říká, že pružná síla tělesa při natažení je přímo úměrná změně délky tělesa. Princip činnosti dynamometru potvrzuje tento zákon – pružina se prodlouží tolikrát, kolikrát vzroste její elastická síla.
Typy dynamometrů
Jaké znáte typy dynamometrů?
МNa základě principu jejich činnosti je možné rozlišit několik typů dynamometrů:
- Mechanické dynamometry (pákové nebo pružinové)
Provoz mechanických dynamometrů je založen na deformaci. Princip činnosti pružinového dynamometru je podrobně popsán výše. U pákového dynamometru dochází vlivem měřené síly k deformaci páky, která udává velikost síly.
Princip činnosti takových dynamometrů je založen na stanovení množství tekutiny vytlačené z válce vlivem měřené síly.
Tyto dynamometry mají snímač, který převádí napětí na elektrický signál. Tento typ dynamometru se v poslední době široce používá.
Moderní modely dynamometrů mohou kombinovat a využívat několik provozních principů.
Aplikace dynamometrů
Dynamometry mají velmi široký rozsah použití. Například v lékařství speciál lékařské dynamometry. Jsou určeny k měření síly různých lidských svalových skupin.
Jedním z takových zařízení je ruční dynamometr tzv měřič síly (Obrázek 4). Měří svalovou sílu paže při sevření ruky v pěst.
Za účelem měření tažných sil lokomotiv, traktorů, námořních remorkérů a dalších zařízení, spec trakční dynamometry (obrázek 5).
Takové dynamometry jsou schopny měřit síly až několik desítek tisíc newtonů. Moderní modely mají dálkové ovládání s displejem (obrázek 6).
Při instalaci drátů a kabelů se používají dynamometry pro stanovení napínací síly drátu (obrázek 7). Existují speciální instalační tabulky s požadovanými hodnotami.
Dynamometry se používají nejen ve speciálních zařízeních, ale také na místech pro nás běžných: v metru, v autobusech a dokonce i ve výtahu. Zde se tato zařízení používají k měření síly stlačení křídel různých automatických dveří.
Cvičení
Cvičení č. 1
Určete cenu dělení každého zařízení a gravitační sílu působící na každé zatížení (obrázek 8).
Stanovme cenu dělení dynamometru znázorněného na obrázku 8,a. Vezměme si dvě extrémní dělení se znaménkem: $1 mezera Н$ a $0 mezera Н$. Odečtěte menší hodnotu od větší a vydělte počtem dílků mezi nimi:
$frac = 0.1 mezera N$.
Divizní cena tohoto dynamometru je 0.1 $ prostoru N$.
Na zavěšené břemeno působí gravitační síla rovnající se $1 prostoru H$.
Stanovme cenu dělení dynamometru znázorněného na obrázku 8,b. Vezměme si dvě extrémní dělení se znaménkem: $1 mezera Н$ a $0 mezera Н$. Odečtěte menší hodnotu od větší a vydělte počtem dílků mezi nimi:
$frac = 0.5 mezera N$.
Divizní cena tohoto dynamometru je 0.5 $ prostoru N$.
Na zavěšené břemeno působí gravitační síla rovnající se $6 prostoru H$.
Cvičení č. 2
Jaká je hmotnost každého nákladu na obrázku 8? Určete bod jeho použití.
Naše závaží a dynamometry jsou stacionární, takže hmotnost každého nákladu bude rovna gravitační síle, která na něj působí. Hodnotu gravitace vidíme z údajů dynamometrů.
Pro zatížení na obrázku 8 platí:
$P = F_ = 1 mezera N$.
Pro zatížení na obrázku 8, b:
$P = F_ = 6 mezera N$.
Obrázek 9 ukazuje hmotnost těchto těles. V obou případech je na závěs aplikována hmotnost.
Cvičení č. 3
Pomocí obrázku 10 určete, jakou silou je každá pružina natažena působením břemene na ní zavěšeného (hmotnost jedné zátěže je $102 prostor g$).
Vzhledem k:
$m = 102 prostor g$
$g = 10 frac$
SI:
$m = 0.102 prostor kg$
Ukaž řešení a odpověz
řešení:
Pod jakou silou bude pružina natažena? Natahuje se vlivem gravitace působící na břemeno na něm zavěšené.
Vypočítejme sílu, která natáhne příčinu na obrázku 10, a:
$F_1 = F_ = gm$,
$F_1 = 10 frac cdot 0.102 mezera kg = 1.02 mezera N$.
Vypočítejme sílu, která napíná příčinu na obrázku 10, b:
$F_2 = F_ = g cdot 2 mil. $,
$F_2 = 10 frac cdot 2 cdot 0.102 mezera kg = 2.04 mezera N$.
Z kurzu fyziky v 7. ročníku je známo, že pro měření fyzikálních veličin existuje řada speciálních přístrojů – od nejjednoduššího měřícího pravítka až po složité přístroje v jaderné fyzice. Protože mechanika je věda o silách, je zde nejdůležitějším měřícím přístrojem dynamometr, který měří sílu. Princip činnosti dynamometru přímo souvisí s jeho konstrukcí: přítomnost elastického prvku a měřicího systému.
Síla a její měření
Síla v mechanice je mírou interakce těles. Síla vyjadřuje míru mechanického působení jednoho tělesa na druhé a je to síla, která způsobuje změny v pohybu (zrychlení) těles. Mimo působení sil je jakékoli těleso buď v klidu, nebo se pohybuje přímočarě a rovnoměrně.
Stejně jako většina fyzikálních charakteristik mají síly velikosti, což umožňuje jejich vzájemné srovnání. A protože působení síly je vyjádřeno ve zprávě o zrychlení k tělu, jednotka měření síly je založena na této vlastnosti.
Jednotka síly SI je síla, která uděluje zrychlení 1 metr za sekundu za sekundu hmotnosti 1 kilogramu. Tato jednotka se nazývá „newton“.
Rýže. 1. Síla ve fyzice.
Dynamometr
Zařízení určené k měření síly se nazývá dynamometr.
Nicméně měření síly založené na zrychlení, kterým tato síla působí na těleso o známé hmotnosti, je z praktického hlediska nepohodlné. Naměřená síla musí působit na nějaké těleso uvnitř zařízení a udělovat mu zrychlení – návrh se ukazuje jako složitý.
Závažnějším problémem je, že měřicí přístroj musí do měřeného systému vnášet minimální zkreslení a pokud je měřená síla směrována k vytvoření zrychlení, pak se na tento proces přenese práce síly, což výrazně ovlivní měřený mechanický systém, ve kterém se tato práce již neuplatňuje.
Pro měření síly je tedy nutné použít jiný fyzikální jev – srovnání s elastickou silou. Tento přístup značně zjednodušuje měření.
Za prvé, pružnou sílu lze snadno „přenést“ na jiný předmět, což umožňuje „zabudování“ dynamometru do mechanického systému. V tomto případě bude naměřená síla působit na dynamometr a přes jeho pružný prvek bude přenášena dále v mechanickém systému. Zkreslení jsou minimální, veškerá práce síly zůstává v systému.
Za druhé, elastická síla většiny elastických látek je lineární v poměrně širokém rozsahu. V důsledku toho je měřicí stupnice dynamometru lineární, což zjednodušuje použití zařízení.
Dynamometr se tedy musí skládat z elastického prvku a indikačního systému, který umožňuje vidět stupeň jeho ohybu. V nejjednodušším případě je elastickým prvkem obyčejná pružina a indikační systém je obyčejné pravítko. U složitějších zařízení mohou být elastickým prvkem pružiny, hydraulické a plynem plněné nádoby nebo speciální tenzometry. Systém indikátorů může převést ohyb do pohybu šipky, otáčení číselného bubnu nebo do digitálního zobrazení na alfanumerickém displeji.
Rýže. 2. Konstrukce dynamometru.
Jarní váhy se často používají v každodenním životě. V podstatě jsou takové váhy dynamometr. Přestože je jejich stupnice vyznačena v jednotkách hmotnosti, ve skutečnosti měří gravitační sílu působící na vážené těleso posouzením ohybu pružiny. Protože gravitace je přímo úměrná hmotnosti, měřítko stupnice je lineární. Po pečlivém prozkoumání pružinových vah můžete pochopit, že se liší od dynamometru pouze ve stupnici.
Rýže. 3. Jarní šupiny.
co jsme se naučili?
Dynamometr je zařízení pro měření síly. Dynamometr se skládá z pružného prvku a měřicího systému. V nejjednodušším případě je pružným prvkem pružina a měřicím systémem je pravítko. Při měření síly se pružný prvek ohýbá, ohyb se měří na stupnici odstupňované v jednotkách síly – v newtonech.
