Прибор для измерения силы

Среди многих видов измерений необходимо измерять силу удара, тяги, вращения и другие. Прибор для этого называется динамометр. Само это слово произошло от двух древнегреческих слов: δύναμις  – «динамо (сила)» и μέτρεω – «метрио (измеряю)».

Динамометр

Измерения силы в системе СИ

Единица силы в этой системе – ньютон. Название эта единица получила в честь английского физика Исаака Ньютона. Один ньютон (1 Н) – это такая сила, которая придаёт телу весом 1 кг ускорение 1 метр в секунду и равна 102 граммам. На табло динамометров обычно вместо ньютонов указываются килограммы.

Принцип действия и история изобретения динамометра

Принцип действия прибора основан на законе физики, который называется закон Гука, открытый в 1660 году. Он гласит, что деформация пружины прямо пропорциональна силе, действующей на неё.

Первые аппараты для измерения силы появились в XVIII веке. Это весы. В XIX появились приборы с пружиной, растягивающейся под действием приложенного усилия. Позже было изобретено устройство со спиральной пружиной. Эти приборы работали на растяжение. Позже были изобретены устройства, реагирующие на сжатие.

Виды приборов

Есть разные виды устройств, осуществляющих измерение силы. Они отличаются:

• по предельному усилию – от долей ньютона (нескольких грамм) до десятков меганьютонов (тысяч тонн);
• по типу измеряемой нагрузки: тяговые, измеряющие силу, и вращательные, предназначенные для измерения вращающего момента;
• по принципу действия: механические, электрические и гидравлические.

В некоторых приборах применяются сразу несколько типов датчиков, дополняющих друг друга.

Механические (рычажные или пружинные) динамометры

Это самые простые и дешёвые устройства. Точность их зависит от температуры окружающей среды.

В устройстве рычажного типа вместо пружины используется рычаг, деформация которого передаётся на табло. Пример такого устройства –автомобильный динамометрический ключ.

В пружинных приборах усилие передаётся на пружину, которая сжимается или растягивается. Это зависит от направления приложенной силы и конструкции устройства. В свою очередь, пружина передаёт сигнал на датчик и (или) табло, цифровое или стрелочное.

Самым известным прибором такого типа является базарный безмен.

Безмен

Гидравлический динамометр

Принцип действия устройства гидравлического типа основан на измерении количества жидкости, вытесненной из цилиндров.

Приборы такого типа точнее, но дороже и менее надёжны.

Электрический динамометр

Состоит из датчика, который при деформации выдаёт сигнал, усилителя этого сигнала и табло. Приёмником сигнала является упругий элемент – пружина, рычаг или мембрана, передающие усилие на датчик. От типа используемого датчика виды электрических динамометров получили своё название:

• Индуктивные. Действующим элементом этих датчиков является катушка, индуктивное сопротивление которой изменяется при попадании в активную зону металлического, магнитного или других материалов, а также изменении положения сердечника катушки. Эти датчики получили большое распространение из-за простоты и надёжности в работе;
• Емкостный датчик. Представляет собой конденсатор из двух пластин с воздушным зазором между ними. Под воздействием давления зазор меняется, что приводит к изменению ёмкости конденсатора;
• Пьезоэлектрические. Пьезоэлектрический эффект (от греческого πιέζω «пьезо – давлю, сжимаю)» – это появление поляризованного сигнала на диэлектрике при давлении на него. Один из вариантов использования этого эффекта – микрофон;
• Вибрационно-частотные. Внутри этих датчиков находится струна, частота колебаний которой изменяется при изменении натяжения. Так меняется звук струны на гитаре при настройке. Кроме струны, внутри устройства находятся возбудитель, вызывающий колебания, а также приёмник, улавливающий частоту. Преимуществом является высокая точность, не зависящая от длины проводов;
• Тензорезисторные. Название этих датчиков произошло от латинских слов tensus – напряжённый и resisto – сопротивляюсь. Действующим элементом этого датчика является полупроводниковый резистор. Сопротивление этого элемента меняется при деформации.

Ниже изображена схема включения тензорезисторного датчика.

Схема тензометрического датчика: 1 – упругое тяговое звено, 2 – рабочий тензорезистор, 3 – измерительный мост, 4 – усилитель, 5 – регистратор

Одноразовые датчики

Кроме динамометров, рассчитанных на длительную работу, есть приборы, предназначенные для однократного применения. Они разрушаются при использовании. Такие измерители применяются во многих сериях научно-популярного сериала «Разрушителей мифов» (MythBusters).

Применение динамометров

Приборы для измерения силы используются в самых разных областях жизни:

• Измерение усилий сжатия створок закрывающихся дверей. В лифтах, метро, электропоездах и других местах применяются сдвигающиеся створки дверей. Усилие прижатия не должно превышать определённую величину, безопасную для людей, попавших между ними;
• В спорте, а также реабилитационной медицине для измерения усилия сжатия кисти, плечевого пояса или поясницы. В боксе такие устройства измеряют силу удара;
• В робототехнике и протезировании конечностей динамометры позволяют регулировать усилие сжатия искусственной кисти. Это позволяет удержать штангу или не раздавить яйцо;
• Элемент весов. Позволяют взвешивать вагоны поезда, автомобили целиком или давление, оказываемое одним колесом на дорогу;
• При постройке плотин и больших зданий такие датчики устанавливаются внутри конструкций. Это позволяет контролировать внутренние напряжения и целостность сооружения;
• При испытаниях автомобилей, тепловозов и других тяговых механизмов. Аналогичные приборы применяют для взвешивания грузов, подвешенных на крюке мостового или башенного крана.

Тяговый динамометр

Приборы для измерения силы получили широкое распространение в технике, медицине, спорте, а также других областях жизни. Благодаря разнообразию типов, можно найти устройство для выполнения измерений в любых условиях.

Видео