Динамометр
На данном уроке мы познакомимся с новым прибором, с помощью которого можно измерить силу, действующую на тело. Как называют прибор для измерения силы?
Динамометр — это прибор для измерения силы.
Слово «динамометр» образовано от двух греческих слов: «динамис» — «сила» и «метрео» — «измеряю».
Рассмотрим самый простой вид динамометра — пружинный. Это поможет нам разобраться с принципом действия прибора. Основной его частью является стальная пружина.
Не сложно догадаться, что если подвесить к пружине груз, то она растянется. Другими словами, наблюдатель видит, что на подвешенное тело действует сила, и может определить ее величину.
Устройство пружинного динамометра
Как изготовить простейший динамометр?
Простой пружинный динамометр можно изготовить самостоятельно (рисунок 1). Он состоит из нескольких частей:
- стальная пружина с крючком и указателем на конце;
- корпус для крепления пружины;
- шкала.
Сначала закрепляем пружину на корпусе таким образом, чтобы ее нижний конец оставался свободным. Затем к нему прикрепляем указатель. Если разогнуть последний виток пружины, то его можно использовать в качестве указателя.
Градуировка шкалы динамометра
Шкалу можно изготовить из полоски обычной бумаги, нанеся на нее штрихи и числа. Поэтому приклеим бумагу на корпус и сделаем на ней первую отметку (рисунок 2, а). Это будет нулевая отметка, которая показывает, где заканчивается нерастянутая пружина.
Из прошлого урока нам известно, что на груз массой $\frac{1}{9.8} \space кг$ ($102 \space г$) будет действовать сила тяжести, равная $1 \space Н$. Поэтому подвесим на крючок груз указанной массы и посмотрим, насколько растянется пружина.
Если пружина прекратила растяжение и груз остановился, это означает, что сила тяжести, действующая на тело, и сила упругости пружины уравнялись. Новое положение указателя отметим на бумаге, поставив цифру 1 (рисунок 1, б).
Так мы уже получили начало шкалы и необходимо ее продолжить. И сделать это можно по-разному:
- Поочередно подвешивать грузы массой $204 \space г$, $306 \space г$, $408 \space г$ и т. д., проставляя соответствующие отметки: 2, 3, 4 и т. д.
- Воспользоваться двумя имеющимися отметками (0 и 1) и с помощью линейки отложить отрезки такой же длины, отметив их числами 2, 3, 4 и т. д.
Теперь у нас есть шкала, которая позволяет измерять силу с точностью до целых. Но точность нашей шкалы можно улучшить до десятых, нанеся на нее дополнительные деления — 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и т. д.
Как нанести на шкалу динамометра деления, соответствующие $0.1 \space Н$?
Для этого разделим расстояние между отметками 0 и 1 на 10 одинаковых частей, поставив соответствующие штрихи. Аналогично поделим на части и другие отрезки ( между отметками 2 и 3, 3 и 4, и т. д.).
Описанным способом мы осуществили градуировку шкалы, цена деления которой равна $0.1 \space Н$.
Принцип действия динамометра
Итак, мы видим, что для измерения силы, действующей на груз, необходимо уравнять ее с силой растяжения пружины динамометра. Указатель, закрепленный на пружине, покажет величину этой силы согласно шкале. Таким образом, можно сделать вывод, что:
Устройство динамометра основывается на сравнении измеряемой силы с силой упругости пружины.
Например, если подвесить груз какой-то массы, то мы будем сравнивать силу тяжести, действующую на этот груз, и величину силы упругости растянутой пружины.
Если мы возьмем крючок на конце пружины и потянем за него, то мы будем сравнивать силу, приложенную нами, с силой упругости пружины (рисунок 3). Так, с помощью динамометра можно измерять различные силы.
Вспомним закон Гука — он гласит, что сила упругости тела при растяжении прямо пропорциональна изменению длины тела. Принцип работы динамометра подтверждает этот закон — пружина удлиняется во столько же раз, во сколько увеличивается сила ее упругости.
Виды динамометров
Какие типы динамометров вам известны?
Можно выделить несколько видов динамометров на основе принципа их действия:
- Механические динамометры (рычажные или пружинные)
В основе работы механических динамометров лежит деформация. Принцип действия пружинного динамометра подробно описан выше. В рычажном динамометре под действием измеряемой силы происходит деформация рычага, которая и показывает величину силы.
- Гидравлические динамометры
Принцип действия таких динамометров основан на определении количества жидкости, вытесняемой из цилиндра под действием измеряемой силы.
- Электрические динамометры
У таких динамометров имеется датчик, который преобразует деформацию в электрический сигнал. Это вид динамометров стал широко применяться в последнее время.
Современные модели динамометров могу соединять и использовать в себе несколько принципов действия.
Применение динамометров
Динамометры имеют очень широкое применение. Например, в медицине используются специальные медицинские динамометры. Они предназначены для измерения силы различных мышечных групп человека.
Одним из таких приборов является ручной динамометр, который называется силомером (рисунок 4). С его помощью измеряется мускульная сила руки при сжатии кисти в кулак.
Для того чтобы измерить тяговые усилия локомотивов, тракторов, морских буксиров и другой техники, используют специальные тяговые динамометры (рисунок 5).
Такие динамометры способны измерять силы до нескольких десятков тысяч ньютонов. Современные модели имеют пульт дистанционного управления с дисплеем (рисунок 6).
При монтаже проводов и кабелей используют динамометры для определения силы натяжения провода (рисунок 7). Существуют специальные монтажные таблицы с необходимыми значениями.
Динамометры используют не только в специальной технике, но и в обычных для нас местах: в метро, в автобусах и даже в лифте. Здесь эти приборы используют для измерения силы сжатия створок различных автоматических дверей.
Упражнения
Упражнение №1
Определите цену деления каждого прибора и силу тяжести, действующую на каждый груз (рисунок 8).
Показать ответ
Скрыть
Определим цену деления динамометра, изображенного на рисунке 8, а. Возьмем два крайних подписанных деления: $1 \space Н$ и $0 \space Н$. Вычтем меньшее значение из большего и разделим на количество делений между ними:
$\frac{1 \space Н \space − \space 0 \space Н}{10} = 0.1 \space Н$.
Цена деления этого динамометра равна $0.1 \space Н$.
На подвешенный груз действует сила тяжести, равная $1 \space Н$.
Определим цену деления динамометра, изображенного на рисунке 8, б. Возьмем два крайних подписанных деления: $1 \space Н$ и $0 \space Н$. Вычтем меньшее значение из большего и разделим на количество делений между ними:
$\frac{1 \space Н \space − \space 0 \space Н}{2} = 0.5 \space Н$.
Цена деления этого динамометра равна $0.5 \space Н$.
На подвешенный груз действует сила тяжести, равная $6 \space Н$.
Упражнение №2
Чему равен вес каждого груза на рисунке 8? Укажите точку его приложения.
Показать ответ
Скрыть
Груза и динамометры у нас неподвижны, поэтому вес каждого груза будет равен силе тяжести, действующей на него. Значение же силы тяжести мы видим по показаниям динамометров.
Для груза на рисунке 8, а:
$P = F_{тяж} = 1 \space Н$.
Для груза на рисунке 8, б:
$P = F_{тяж} = 6 \space Н$.
На рисунке 9 изображен вес этих тел. Вес приложен к подвесу в обоих случаях.
Упражнение №3
По рисунку 10 определите, с какой силой растягивается каждая пружина под действием подвешенного к ней груза (масса одного груза $102 \space г$).
Дано:
$m = 102 \space г$
$g = 10 \frac{Н}{кг}$
СИ:
$m = 0.102 \space кг$
$F_1 — ?$
$F_2 — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Под действием какой силы будет растягиваться пружина? Она растягивается под влиянием силы тяжести, действующей на подвешенный к ней груз.
Рассчитаем силу, растягивающую причину на рисунке 10, а:
$F_1 = F_{тяж1} = gm$,
$F_1 = 10 \frac{Н}{кг} \cdot 0.102 \space кг = 1.02 \space Н$.
Рассчитаем силу, растягивающую причину на рисунке 10, б:
$F_2 = F_{тяж2} = g \cdot 2m$,
$F_2 = 10 \frac{Н}{кг} \cdot 2 \cdot 0.102 \space кг = 2.04 \space Н$.
Ответ: $F_1 = 1.02 \space Н$, $F_2 = 2.04 \space Н$.
5
5
1
5
Хотите оставить комментарий?
Войти