Для измерения силы применяют. Измерение силы и массы. Урок: Единицы силы. Динамометр

В инерциальной системе отсчета изменение скорости тела может быть обусловлено только его взаимодействием с другими телами. Для описания взаимодействия между телами вводится физическая величина - сила, дающая количественную меру этого взаимодействия.

Виды сил. Физическая природа взаимодействия может быть различной: существуют гравитационные, электрические, магнитные и другие взаимодействия. В механике физическая природа сил, вызывающих ускорение тела, совершенно несущественна: вопрос о происхождении взаимодействий в механике не ставится и не выясняется. Но для всех видов взаимодействий количественная мера может быть выбрана единым образом - измерять силы различной природы можно в одних и тех же единицах с помощью одних и тех же эталонов. Благодаря такой универсальности механика успешно описывает движения под действием сил любой природы.

Таким образом, определение силы в механике должно отвечать только на вопрос, как измерить силу и каковы ее свойства.

Измерение сил. Существуют различные способы измерения сил. Один из наиболее распространенных способов основан на свойстве сил вызывать упругую деформацию твердых тел.

Деформация твердого тела, например пружины, называется упругой, если тело принимает первоначальные форму и размеры после снятия усилия, вызывающего деформацию. Простейший прибор для измерения сил - это пружинный динамометр. Некоторые модификации этого прибора, например крутильные весы, обладают очень высокой чувствительностью (см., например, рис. 93). Такие весы представляют собой один из самых совершенных физических приборов. С помощью крутильных весов равенство инертной и гравитационной масс, о которых будет идти речь ниже, было установлено с относительной погрешностью, равной 10-12. Такая точность эквивалентна возможности заметить изменение массы корабля водоизмещением в 1000 тонн при добавлении к нему 1 миллиграмма.

Для измерения сил на основе явления упругой деформации можно поступить следующим образом. Выберем и качестве эталона

некоторую пружину и по определению будем считать, что при растяжении на некоторую заданную длину пружина действует на прикрепленное к ее концу тело с силой направленной вдоль оси пружины. Будем также считать, что две любые силы равны и противоположно направлены, если при одновременном действии только этих двух сил тело в инерциальной системе отсчета остается в покое или движется равномерно и прямолинейно. В соответствии с этим определением эталон силы можно воспроизвести в любом числе экземпляров.

Градуировка динамометра. Имея в распоряжении эталонную пружину, можно установить, имеет ли измеряемая сила значение но еще нельзя измерить любую силу. Для того чтобы получить способ измерения любых сил, попробуем сначала добиться того, чтобы тело в инерциальной системе отсчета оставалось в покое при одновременном действии на него трех эталонных сил

Рис. 62. Равновесие при действии трех одинаковых сил

Опыт показывает, что это возможно только в том случае, когда пружины расположены симметрично: их оси лежат в одной плоскости, образуя углы 120° друг с другом (рис. 62 а). Отсюда можно сделать вывод, что действие двух сил под углом 120° друг к другу эквивалентно действию одной силы направленной по диагонали параллелограмма (ромба), построенного на этих силах (рис. 62 б). В этом параллелограмме длина меньшей диагонали равна длине стороны.

Обобщим этот результат и будем считать, что действие на тело двух эталонных сил расположенных под любым углом друг к другу эквивалентно действию одной силы, модуль и направление которой задаются диагональю параллелограмма, построенного на действующих силах как на сторонах. Другими словами, мы предполагаем, что две эталонные силы складываются, как векторы. Эта гипотеза дает возможность проградуировать прибор для измерения

сил - динамометр (рис. 63). Силе уравновешивающей совместное действие двух эталонных сил направленных под углом а друг к другу, мы приписываем модуль и направление, указанное на рисунке.

Сила - вектор. Имея в распоряжении проградуированный динамометр, остается только убедиться на опыте, что все силы, независимо от их физической природы, складываются, как векторы. Действительно, силы упругости, на основе которых создан прибор для измерения сил - динамометр, складываются, как векторы, по принятому определению. Для всех остальных сил такое свойство должно проверяться на опыте.

Пусть, например, на стальной шарик (рис. 64) действуют две силы: сила упругости со стороны динамометра и магнитная сила со стороны постоянного магнита М.

Рис. 63. Сложение сил и градуировка динамометра

Рис. 64. Сложение сил разной физической природы

Силу если бы она действовала отдельно, можно измерить с помощью динамометра. Поэтому можно считать, что в рассматриваемом опыте ее значение известно. При одновременном действии сил и опыт покажет, что шарик будет оставаться в покое, если на него подействовать еще и третьей силой со стороны другого динамометра которая удовлетворяет равенству

На основании описанных свойств можно заменять несколько сил их равнодействующей, равной их векторной сумме, и наоборот,

всякую силу можно раскладывать на составляющие, векторная сумма которых равна данной силе.

Введенный способ измерения сил дает возможность изучать на опыте свойства сил разной физической природы. При этом оказывается, что некоторые виды сил зависят от взаимного расположения взаимодействующих тел. К таким силам относятся, например, гравитационные силы, силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов, силы взаимодействия постоянных магнитов и т. д. Другие виды сил зависят от относительной скорости взаимодействующих тел. К таким силам относятся, например, сила трения, силы, действующие со стороны постоянного магнита на движущиеся электрические заряды, и т. д. Однако независимо от этих специфических для каждого вида сил свойств все силы обладают одним универсальным свойством - сообщать ускорение телам, на которые они действуют.

В каком случае действующие на тело силы считаются одинаковыми?

Какими достоинствами обладает метод измерения сил, основанный на упругой деформации твердых тел?

Как можно на опыте установить, что действующая на стальной шарик со стороны постоянного магнита сила является вектором?

Что значит разложить силу на составляющие? Когда это можно делать? Как могут быть направлены эти составляющие?

Силой называется всякое воздействие на данное тело, сообщающее ему ускорение или вызывающее его деформацию. Сила - векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел. Сила характ-ся числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения. За единицу силы в системе СИ принят ньютон (Н). Ньютон – сила, которая придает массе 1 кг в направлении действия этой силы ускорение 1м/с 2 .

Измерения силы осуществляют по средствам динамометров, силоизмерительных машин и прессов, а также непосредственным нагружением при помощи грузов и гирь.

Динамометры – приборы, изм-щие силу упругости. Изготавл-ся трёх типов:

· пружинные;

· гидравлические;

· электрические.

По способу регистрации измеряемых усилий динамометры делятся на:

· указывающие , применяют главным образом для измерений статических усилий, возникающих в конструкциях, установленных на стендах при приложении к ним внешних сил и для измерения силы тяги при плавном передвижении изделия;

· считающие и пишущие динамометры, регистрирующие переменные усилия, применяют чаще всего при определении силы тяги паровозов и тракторов, т.к. вследствие сильной тряски и неизбежных рывков при ускорении их движения, а также неравномерности нагрузок изделия создаются переменные усилия.

Наибольшее распространение имеют динамометры общего назначения пружинные указывающие. Основные параметры динамометров общего назначения пружинных со шкальным отсчетным устройством, предназначенные для измерений статических растягивающих усилий, устанавливает ГОСТ 13837.

Измерение погрешности СИ должно определяться двумя способами:

· расчетным;

· по таблицам приложения ОСТ 1.00380.

59. Измерение температуры. Температура – один из параметров состояния в-ва, она определяет тепловое состояние тела и направления теплопередачи. За единицу измерения в системе СИ принят К. Т измеряют с помощью СИ, использ. различные термометрические свойства жидкости, газов и тв. тел. К ним относятся: термометры расширения, манометрические, сопротивления с логометрами или мостами, термопласт. Т измеряют контактным(более точный) и бесконтактным методом(служит для измерения высокой Т, где невозможно измерить контактным методом и не требуется высокой точности). Термометрический преобразователь – измерительный преобразователь температуры, предназн. для выработки сигнала измеренной информации в форме удобной для передачи, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателю(термометры сопротивления, термопара, телескоп радиационного пирометра. Вторичный измерительный преобразователь – СИ преобразующее выходной сигнал термометр-го преобразователя в численную величину(логометры, мосты, милливольтметры).

· Приборы контроля имеют 4 разновидности:

· 1.показывающие – предусматривающие визуальный отчет показаний.

· 2.регистрирующие – имеющие устройства регистрации резул-тов контроля.

· 3.самопишущие – приборы с автоматической записью резул-тов контроля в виде функций времени.

· 4.индикаторные – сигнализация достижения заданной температуры.

· Наиболее распространенные термометры расширения:

· 1.термометры жидкостные, стеклянные – используют термометрическое св-во теплового расширения.

· 2.термометры контактные, ртутные и терморегулятор – приборы предназначенные для смыкания и разъединения цепи эл. тока, с целью поддержания заданной Т или сигнализации о ее достижении. Принцип действия основан на способности ртути проводить эл. ток.

60. Жидкостные, стеклянные терм-ры используют термометр-е свойства теплового расширения. Действие термометров основано на различии коэф-тов теплового расширения термометрического в-ва и оболочки, в которой она находится(термом-го стекла). Т следует определять по величине видимого объема термомет-го вещ-ва и отсчитывать по высоте уровня в капиллярной трубке. Достоинства: простота, достаточно высокая точность, широкий интервал измерения. Недостатки: плохая видимость шкалы, невозможность автомат-й записи показаний, невозможность передачи показаний на расстояние. Основные технические хар-ки – конструктивная особенность жидкостных, стеклянных терм-ов ГОСТ28498.

· Манометрические термометры - простые механические приборы прямого измерения, предназначенные для дистанционного измерения Т газов, паров и жидкостей в стационарных условиях. Принцип действия основан на свойстве газов и жидкостей изменять давление при изменении измеряемой Т. Достоинства: сравнительная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения Т и автоматическая запись показаний. Недостатки: невысокая точность измерений, небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60м), трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

61. Термопреобразователь сопротивления ТС – термоприёмник, в к-ром в качестве термометрического св-ва использовано изменение эл-кого сопротивления чувств-ого элемента в зав-ти от изменения его Т, т.е. посредством термометра сопротивления колебания Т преобразуются в эквивалентное изменение эл.сопротивления проводника. Чувств. элемент термопреобразователя изготавливают чаще всего из медной либо платиновой проволоки (термометры для длительного измерения Т в пределах от -50 до +200С для Cu;-200 - +1100С для Pt). ТС в отличие от жидкостных стеклянных и манометрических термометров не явл-ся прибором, показывающим Т, а служит лишь датчиком. ТС работы с втор. Измерит. приборами (логометрами и мостами, измеряющие сопротивления термометра и показывающие соответствующую Т среды). Осн. Треб-ия, обеспечивающие правильность выбора и эксплуатации ТС: соответствие измеряемым Т пределам измерений ТС; допустимая погрешность измерений; правильный выбор места установки ТПС; соответствие прочности материала арматуры условиям эксплуатации; правильный выбор длины монтажной части ПС. Логометры – приборы для измерения Т с помощью ТС. Логометры построены по принципу сравнения сил токов в цепях термометра и пост. сопротивления. Логометры наиболее целесообразно применять при измерении низких минусовых (от -100С) и невысоких плюсовых (до 500С) Т. Конструктивные особенности, диапазоны измерений, классы точности устанавливает ГОСТ 9736. Термоэлектрические преобразователи ТЭП – термоприёмники, принцип действия которых основан на возникновении ЭДС в цепи, составленной из разнородных проводников при нарушении теплового равновесия. Величина термоЭДС зависит от материала электродов и разности температур горячего и холодного спаев (раб. и свободный концы термопары). Раб. конец термопары должен быть помещён в измеряемую среду, а свободные концы присоединяют к втор. прибору. Термопары работают в комплекте с пирометрическими или цифровыми приборами, вольтметрами, потенциометрами. Термопара уступает термометру сопротивления в точности. Преимущества: дешёвые, просты в устройстве, надёжны, исключительно неиннерционны. Номинальные статические хар-ки термопар отражены в ГОСТ Р 8.8585. Пирометрический милливольтметр (ГОСТ 9736)– втор. прибор для измерения величин термоЭДС, создаваемой термоэлектрическим термометром. Они могут иметь разнообразные шкалы для всех станд градуировок термопары в пределах их применения вплоть до температур, допустимых для кратковременных измерений. Автоматические потенциометры – приборы, служащие для измерения термоЭДС компенсационным методом без ручных манипуляций. Предназначены для измерений, записи и регулирования температуры с повышенной точностью. Потенциометры работают в комплекте с термопарами и радиационными потенциометрами станд. градуировок; могут работать и с другими датчиками, явл-ся ист-ми ЭДС или напряжения. Потенциометры могут производить автоматические измер-ия и запись показаний темп-ры в нескольких точках (одной, трех, 6, 12 и 24) и имеет автоматическую компенсацию темп-ры холодных спаев термопары. Пирометры излучения – приборы для измерения теплового состояния тел, нагретых до высокой темп-ры. Принцип работы основан на улавливании лучистой энергии нагретого тела с пом. оптической сис-мы. Разделяют на: пирометры частичного излучения (оптические) и полного излучения (радиационные). Оптические пирометр – прибор для измерений яркостных темп-р, накопленных телом в одном узком интервале длин волн видимого спектра. Чувств. элементом при этом явл-ся глаз наблюдателя. Принцип действия основан на уравнивании яркостей изображения накаленного объекта с яркостью эталонного источника – пирометрической лампочкой. Радиационный пирометр – прибор бесконтактного опред-ия темп-ры по рез-там измерения их теплового излучения во всем спектре длин волн. Комплект радиационного пирометра состоит из 2 блоков. Один из них – телескоп радиационного пирометра, вкл-ий в себя приемник излучения, второй блок – показывающий (регистрирующий) измерит. прибор. Пирометры излучения примен-ся: при необх-ти обеспечения высокого быстродействия или если контакт термопреобразователя с объектом измерения не допустим в связи с искажением им температурного поля.

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.

Различают два способа регистрации силовых качеств:

1. без измерительной аппаратуры (в этом случае оценка уровня силовой подготовленности проводится по тому наибольшему весу, который способен поднять или удержать спортсмен)
1. с использованием измерительных устройств - динамометров.

Все силоизмерительные установки делятся на две группы:

а) измеряющие деформацию тела, к которому приложена сила
б) измеряющие ускорение подвижного тела - инерционные динамографы. Их преимущество состоит в том, что они дают возможность измерять силу действия спортсмена в движении, а не в статических условиях. Наибольшее распространение в практике получило измерение силы с помощью динамометров.

Механические динамометры - пружинного типа состоят из упругого звена, воспринимающего усилия, а также преобразующего и показывающего устройств, тензометрические силоизмеряющие устройства.

Все измерительные процедуры проводятся с обязательным соблюдением общих для контроля за физической подготовленностью метрологических требований и соблюдением специфических требований к измерению силовых качеств:

- определять и стандартизировать положение тела (сустава), в котором проводится измерение;
- учитывать длину сегментов тела при измерении момента силы;
- учитывать направление вектора силы.

Измерение максимальной силы

Понятие "максимальная сила" используется для характеристики, во-первых, абсолютной силы, проявляемой без учета времени, и, во-вторых, силы, время действия которой ограничено условиями движения. Максимальная сила измеряется в специфических и неспецифических тестах:

- регистрируют силовые показатели в соревновательном упражнении, или близком к нему по структуре проявления двигательных качеств.
- используют стенд силовых обмеров, на котором измеряют силу практически всех мышечных групп в стандартных заданиях.

Максимальную силу можно измерять в статических и динамических условиях. Регистрируют при этом качественно разные показатели: максимальную статическую силу и максимально динамическую силу. При измерении силовых качеств необходимо обращать особое внимание на позу тела т.к. величина проявляемой силы может значительно меняться в зависимости от суставного угла. Зарегистрированные в ходе измерений показатели силы называют абсолютными; расчетным путем определяют относительные показатели (по отношению абсолютной силы к весу тела).

Измерение градиентов силы

Дифференциальные показатели (или градиенты) силы характеризуют уровень развития так называемой взрывной силы спортсмена. Определение их величин связано с измерением времени достижения максимума силы или каких-то фиксированных ее значений. Чаще всего это делается с помощью тензодинамографических устройств, позволяющих получать изменение усилий во времени в виде графика. Результаты анализа динамограммы выражаются в виде силовых и временных показателей. Сопоставление их дает возможность рассчитать значения градиентов силы. Анализ результатов измерения градиентов силы позволяет найти причины неодинаковых достижений у спортсменов с примерно одинаковым уровнем развития абсолютной силы.

Измерение импульса

Интегральный показатель (импульс) силы определяется либо как произведение средней силы на время ее проявления, либо по площади, ограниченной динамограммой и осью абсцисс. Этот показатель характеризует силовые качества в ударных движениях (удар в боксе, удар по мячу).

Контроль за силовыми качествами без измерительных устройств

Измерение силовых качеств с помощью высокоточных приборов проводится главным образом в процессе подготовки квалифицированных спортсменов. В массовом спорте такие приборы используются сравнительно редко; об уровне развития силовых качеств судят по результатам выполнения соревновательных или специальных упражнений. Существует два способа контроля:

- прямой - определяется максимальная сила по тому наибольшему весу, который может поднять спортсмен в технически сравнительно простом движении. Применять для этого координационно сложные движения нецелесообразно, так как результат в значительной степени зависит от уровня технического мастерства.
- Косвенный - измерению подлежат скоростно-силовые качества, силовая выносливость. Для этого используют такие упражнения, как прыжок в длину, метания ядер, подтягивания и т.п. Об уровне скоростно-силовых качеств судят по дальности бросков или метаний, причем вес перемещаемого отягощения указывает на то, что преимущественно измеряется: при значительном

отягощении - силовые качества; при средних - скоростно-силовые; при малых - скоростные. (В.М. Зациорский, 1982).

Силой называют количественную характеристику процесса взаимодействия объектов (например, сила трения).

Понятие «масса» характеризует инерционность объектов и их гравитационную способность.

В измерениях, обычно, не делают отличия между массой (количеством вещества) и весом - силой притяжения тела Землей (гравитационной силой), поэтому для измерения силы и массы-веса применяют одни и те же методы измерения.

Приборы для измерения массы по гравитационной способности объекта называют весами . Измерение силы осуществляют посредством динамометров . Разделение средств измерений силы на весы и динамометры обусловлено тем, что направление вектора гравитационной силы строго определено в пространстве. Это обстоятельство учитывают при конструировании средств измерений гравитационной силы, а также при подготовке весов к работе. В частности, в конструкции весов предусматривают уровни и отвесы, позволяющие установить их в горизонтальное положение с требуемой точностью. Рабочее положение динамометров может быть любым – главное, чтобы линия измерения совпадала с направлением вектора силы. При соблюдении этого условия весы могут быть использованы для измерения негравитационной силы, а динамометры – для определения веса. Таким образом, разделение средств измерений силы на весы и динамометры определяется их назначением.

Измерение силы. В общем случае динамометры состоят из преобразователя силы – упруго деформируемого элемента, преобразователя деформации при необходимости, и показывающего прибора.

Динамометры (динамометр от греческого dynamis - сила и метр) изготовляют трёх типов: ДП - пружинные, ДГ- гидравлические, ДЭ - электрические.

Многообразие конструкций упругих элементов можно классифицировать в зависимости от вида реализуемой деформации : использующие деформации сжатия или растяжения, деформацию изгиба, деформацию сдвига и смешанную деформацию (рис.61)

Динамометрические пружины растяжения или сжатия обычно выполнены в виде сплошного или полого цилиндра, иногда в виде стержня прямоугольного сечения (от 10 кН до 1 МН).

Рис.61. Преобразователи силы в деформацию: а) сжатия, б) изгиба, в) сдвига, г) смешанную

Деформация изгиба реализуется также в упругих элементах, выполненных в виде системы из радиально размещенных балок, колец, мембран, рамы и т.п. (от 10 Н до 10 кН – рабочие средства). Для кольцевых элементов до 2 МН.

Динамометры со сложным упругим элементом (рис. 3г) призваны приблизить характеристику преобразования к линейной и широко применяются в качестве рабочих и эталонных средств измерения.

Механические динамометры применяют только для измерения статических сил. Деформацию чувствительного элемента (0,1 – 2 мм) измеряют индикатором часового типа или индикаторной головкой. Механические динамометры выпускаются серийно для нагрузок до 10 МН. Класс точности достигает 0,1 – 2 %.

Для упругих элементов большой жесткости (стержневых) применяют тензорезисторные и струнные преобразователи деформации в электрический сигнал. При малой жесткости (кольцевые, упругие балочные элементы) применимы емкостные, индуктивные и другие преобразователи.

Среди электрических динамометров наибольшее значение имеют тензорезисторные. Диапазон их применения от 5 Н до 10 МН и более. Чувствительный элемент таких динамометров выполняют в виде стержня, трубы, радиально нагруженного кольца, сдвоенной балки, консольной торсионной балки и др. Наклеенный на чувствительный элемент тензорезистор регистрирует деформации растяжения – сжатия, изгиба, кручения, среза. Тензорезисторные динамометры пригодны как для статических, так и для динамических измерений.

В струнных динамометрах применяют струнный тензометр. Чувствительным элементом является ферромагнитная струна, расположенная вдоль оси упругого полого цилиндра и связанная с ним двумя плоскостями. При приложении к цилиндру нагрузки вследствие его деформации одновременно меняется натяжение струны и частота её колебаний, возбуждаемых электромагнитом. Собственная частота колебаний влияет на значение напряжения на выводах измерительной катушки и является мерой нагрузки. Диапазон сил от 200 Н до 5 МН. Класс точности 1 %.

При измерении больших нагрузок (до 50 МН) находят применение магнитоупругие преобразователи.

В основе магнитоупругих динамометров – ферромагнитные материалы (например, железоникелевые сплавы), которые изменяют свою магнитную проницаемость в направлении воздействия на них силы растяжения или сжатия. Магнитоупругий динамометр может быть выполнен в виде катушки с замкнутым сердечником из магнитомягкого материала. Изменение индуктивности, возникающее при нагружении, может быть измерено электрическими методами (рис. 62). Класс точности магнитоупругих динамометров от 0,1 до 2%.

Рис. 62. Схема включения магнитоупругого динамометра

Пьезоэлектрические динамометры применяют для измерения динамических и квазистатических сил (непригодны для статически сил). Класс точности 1%.

Действие силы может быть преобразовано в изменение давления (гидравлические динамометры). Гидравлическая система измерения сил включает воспринимающее устройство с полностью замкнутой камерой и показывающий прибор. Сила, действующая на поршень, создает давление. В качестве показывающего прибора принципиально могут быть применены все измерители давления (манометры). Чаще всего используют механические приборы. Номинальные силы от 200 Н до 20 МН. Класс точности 1 – 2 %.

Погрешности динамометров обусловливаются следующими причинами: нелинейностью характеристики преобразования, её воспроизводимостью, гистерезисом, температурной зависимостью чувствительности и положения нуля, ползучестью (упругое последействие).

Основные параметры и размеры динамометров общего назначения , пружинных со шкальным и цифровым отсчётным устройством, предназначенных для измерений статических растягивающих усилий, устанавливает ГОСТ 13837 «Динамометры общего назначения. Технические условия».

Пределы измерения динамометров, предусмотренные стандартом: наибольший от 0,10 до 500 кН, наименьший - 0,1 от наибольшего предела.

ГОСТ 13837-79 предусматривает изготовление динамометров классов точности 0,5, 1 и 2. Класс точности определяется пределом допускаемой основной погрешности динамометра, представленным в виде приведенной погрешности. Нормирующее значение при этом равно наибольшему пределу измерений.

Пределы дополнительной погрешности динамометров, вызванной изменением температуры окружающей среды, в рабочем диапазоне температур, отличных от температуры нормальных условий, составляют: не более 0,5 основной погрешности на каждые 10 °С - для динамометров 1-го класса; не более 0,25 основной погрешности на каждые 10 °С - для динамометров 2-го класса.

Для градуировки, поверки и калибровки преобразователей силы используют силоизмерительные машины/установки а также средства измерений, в состав которых входят эталонные динамометры и силозадающие устройства (прессы). По функциональному назначению перечисленные устройства относятся к мерам силы.

Силоизмерительные машины/установки позволяют воспроизводить любые значения силы в установленном диапазоне или ряд дискретных значений.

В зависимости от конструктивной реализации различают машины непосредственного нагружения, силоумножающие установки (рычажные, гидравлические и клиновидные) и установки деления силы.

Непосредственное нагружение реализуется с помощью грузов и гравитационной силы Земли.

Создание силоумножающих установок обусловлено тем, что при больших значениях силы непосредственное нагружение приводит к увеличению погрешностей и металлоемкости, большим экономическим издержкам. Однако и в силоумножающих установках значение силы изначально задается с помощью грузов, которое затем увеличивается с помощью неравноплечих рычагов (до 1МН ), поршневых пар разных эффективных площадей (до 10 МН ) или эффекта клина (до 5 МН?).

Для уменьшения силы могут быть использованы те же конструктивные решения, что и для увеличения, но с передаточным отношением меньше 1. Однако такое решение экономически не выгодно и имеет ограниченные функциональные возможности. Наиболее приемлемым решением для деления силы является устройство с изменением угла наклона оси цилиндрической массы, взвешенной в аэростатическом подвесе (рис.63).

В качестве силозадающих устройств применяют винтовые, рычажные, гидравлические, электромеханические и т.п. прессы. Одно из основных требований к силозадающим средствам – постоянство задаваемого значения силы во времени.

Измерение массы. При взвешивании гравитационную силу сравнивают с известной силой, создаваемой следующими способами:

Грузом известной массы (классический метод);

Растяжением/сжатием пружины (пружинные весы)

Деформированием жестких упругих элементов (деформации измеряют электрическими методами (электромеханические весы);

Пневматическим или гидравлическим устройством (измеряют давление воздуха или жидкости);

Электродинамически при помощи соленоидной обмотки, находящейся в постоянном магнитном поле (измеряемой величиной является ток);

Погружением тела в жидкость (глубина погружения зависит от массы тела).

В этой связи различают весы механические (рычажные, пружинные, поршневые), электромеханические (с емкостными, тензорезисторными, индуктивными и пьезоэлектрическими преобразователями перемещений или деформаций), оптико-механические (с зеркальным или интерференционным указательным устройством), радиоизотопные (абсорбционные и рассеянного излучения). Основное применение находят механические и электромеханические весы.

Требования к весам для статического взвешивания устанавливает ГОСТ 29329 – 92.

Весы для статического взвешивания классифицируют по следующим признакам.

По области применения (эксплуатационному назначению) весы подразделяют на: вагонные; вагонеточные; автомобильные; монорельсовые; крановые; товарные; для взвешивания скота; для взвешивания людей; элеваторные; для взвешивания молока; багажные; торговые; медицинские; почтовые.

По точности взвешивания весы по точности разделяют на 4 класса: 1 класс - весы специальной точности; 2 класс - высокой точности; 3 класс - средней точности; 4 класс - обычной точности. Стандарт ГОСТ 29329 – 92распространяется на весы неавтоматического действия среднего и обычного классов точности.

По способу установки на месте эксплуатации весы подразделяют: встроенные, врезные (врезные весы – передвижные весы, платформа которых находится на одном уровне с полом помещения), напольные, настольные, передвижные, подвесные, стационарные.

По виду уравновешивающего устройства различают весы: механические, электромеханические (электронные - термин «Электронные весы» применим к настольным весам).

Механические весы - весы, в которых уравновешивание силы тяжести осуществляется с помощью различных механизмов. Различают весы гирные, пружинные, гидравлические, пневматические. Весы, в которых передаточным устройством является рычаг или система рычагов называют рычажными.

Электромеханические весы - весы с уравновешивающим устройством в виде преобразователя, в котором сила тяжести преобразуется в электрический сигнал.

По виду грузоприемного устройства различают весы: бункерные, монорельсовые, ковшовые, конвейерные, крюковые, платформенные.

По способу достижения положения равновесия различают весы: с автоматическим уравновешиванием, с полуавтоматическим уравновешиванием, с неавтоматическим уравновешиванием.

В зависимости от вида отсчетного устройства различают весы: с аналоговым отсчетным устройством (циферблатные и шкальные), с дискретным отсчетным устройством (цифровые).

Стандартом ГОСТ 29329-92 предусмотрены следующие основные характеристики весов .

Цена поверочного деления е - условное значение, выраженное в единицах массы и характеризующее точность весов.

Цена поверочного деления для класса точности «средний» 0,1 г ≤ е ≤ 2 г при числе поверочных делений n = 100…10000 и е ≥5 г при n = 500…10000; для класса точности «обычный» е ≥5 г при n = 100…1000. (n - число поверочных делений, определяемое как отношение наибольшего предела взвешивания весов к цене поверочного деления).

Значения цены поверочного деления (е ), цены деления шкалы (d ) и дискретности отсчета (d d ) в единицах массы выбирают из ряда: 1×10 а; 2×10 а и 5×10 а, где а - целое положительное, целое отрицательное числа или нуль. Цена поверочного деления весов без вспомогательного отсчетного устройства должна соответствовать цене деления шкалы для весов с аналоговым отсчетным устройством и дискретности отсчета для весов с цифровой индикацией.

Значение цены деления или дискретности отсчета массы, а также значение цены поверочного деления указывают на весах или в эксплуатационной документации на них.

Наибольший (НПВ) и наименьший (НмПВ) пределы взвешивания весов – наибольшее и наименьшее значения массы, при которых обеспечивается соответствие весов требованиям нормативных документов.

Наибольший предел взвешивания весов (НПВ), предусмотренный ГОСТ 29329-92,составляет от 200 г до 500 т (ряд значений НПВ не соответствует рядам предпочтительных чисел).

Наименьший предел взвешивания - для класса точности средний принимают равным 20·е; для класса точности обычный - 10·е . Где е – цена поверочного деления.

Пределы допускаемой погрешности весов нормируют в зависимости от НмПВ и класса точности и составляют от 0,5∙е до 1,5∙е при первичной поверке на предприятиях: изготовителе и ремонтном. При эксплуатации и после ремонта на эксплуатирующем предприятии - от 1,0∙е до 2,5∙е. Пределы допускаемой погрешности устройства установки на нуль - ± 0,25 е .

Различают следующие типы рычажных весов для измерения массы: лабораторные (аналитические, квадрантные, электронные, равноплечие), настольные циферблатные, счетные коромысловые, платформенные передвижные (шкальные, циферблатные, почтовые).

Принцип действия рычажных весов состоит в уравновешивании момента, создаваемого гравитационной силой от измеряемой массы, моментом силы тяжести гири или груза.

В рычажных весах реализованы следующие варианты преобразователей:

С переменной уравновешивающей массой: рычаг со шкалой и гирями; рычаг с накладными гирями;

С переменной длиной рычага: рычаг с передвижными гирями; рычаг с роликовым грузом;

С переменным углом отклонения: квадрант; противовес.

Требования к параметрам весов рычажных общего назначения устанавливает ГОСТ 14004.

В зависимости от наибольшего предела взвешивания весы общего назначения делят на три группы: -настольные (до 50 кг); -передвижные и врезные (50 – 6000 кг); -стационарные (вагонные, автомобильные, элеваторные) (от 5000 до 200000 кг).

Наименьший предел взвешивания 20 d (d-цена деления шкалы) для настольных весов и 5% от P max для остальных.

Рычажные весы применяют совместно с гирями, которые в зависимости от назначения подразделяют на гири общего назначения, эталонные и специального назначения. В последнюю группу входят гири рейтерные (применяются для повышения точности отсчета лабораторных весов), условные гири (предназначены для комплектации весов и других устрой с отношением плеч рычажной системы 1:100), гири, встроенные в весы, и гири, применяемые в технологических весах и дозаторах.

Конструктивно гири общего назначения выполняют в виде проволочки, многоугольной пластины (треугольной, квадратной или пятиугольной), цилиндра с головкой, параллелепипеда. Номинальное значение массы гири принимают из ряда значений 1·10 n , 2·10 n , 5·10 n (n - любое целое положительное или отрицательное число). Стандарт ГОСТ 7328 – 2001 «Гири. Общие технические условия» предусматривает выпуск гирь массой от 1 мг до 5000 кг. В зависимости от допуска на изготовление гирям присваивают классы точности: Е 1 , Е 2 , F 1 , F 2 , М 1 , M 2 , M 3 (в порядке уменьшения точности). Гири могут поставляться в виде наборов, состав которых формируется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 7328 – 2001.

Пример условного обозначения в документации гири массой 500 г класса точности F 1: Гиря 500 г F 1 ГОСТ 7328-2001. Набор гирь: Набор (1 мг – 1 кг) Е 2 ГОСТ 7328 – 2001.

В пружинных весах чувствительным элементом является пружина (сжатия, растяжения, спиралевидная и др.), деформация которой пропорциональна силе тяжести. Значение деформации измеряется непосредственно или подвергается дополнительному преобразованию.

В электронных весах в качестве первичного преобразователя находят применение два основных типа датчиков: пьезокварцевые и тензорезисторные.

Отдельную группу составляют весы для взвешивания транспортных средств в движении . Общие технические требования к ним приведены в ГОСТ 30414-96.

Стандарт распространяется на весы, предназначенные для взвешивания в движении или для статического взвешивания и взвешивания в движении следующих транспортных средств: железнодорожных вагонов (включая цистерны), вагонеток, составов из них, автомобилей, прицепов, полуприцепов (включая цистерны), автопоездов.

Таблица 7. Механические рычажные весы

В зависимости от конструкции грузоприемного устройства оно может определять нагрузку сразу от всего вагона (вагонетки, автомобиля, прицепа, полуприцепа) или автономно - одновременно или поочередно - от каждой тележки, колесной пары (оси) или от каждого колеса.

В зависимости от нормируемых значений метрологических характеристик весы подразделяют на четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1; 2. Обозначение класса точности соответствует погрешности допускаемой при эксплуатации. При этом в диапазоне от НмПВ до 35% НПВ включительно – это приведенная погрешность, нормирующее значение для которой равно 35% НПВ. В диапазоне свыше 35% НПВ до НПВ класс точности определяет относительную погрешность измерения.

При первичной поверке или калибровке допустимые погрешности уменьшают в 2 раза.

Измерение расхода

Расходом называют количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Различают объемный и массовый расходы. Средства измерений расхода называют расходомерами . Многообразие расходомеров определяется не только конструктивными решениями, но и принципами действия, которые в них реализованы. Рассмотрим наиболее применяемые варианты.

Объемные счетчики. Принцип действия объемных счетчиков основан на непосредственном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчете числа порций, прошедших через счетчик. Наиболее распространенным объемным счетчиком жидких веществ является счетчик с овальными шестернями (рис. 64) Овальные шестерни 1 и 2, размещенные в корпусе 3, вращаются за счет перепада давлений Р 1 и Р 2 . За один оборот шестерен измерительные полости, объем которых точно известен V 1 и V 2 , дважды наполняются и дважды опорожняются. Ось одной из шестерен вращает счетный механизм, расположенный вне корпуса 3. Счетчик характеризуется высокой точностью измерения (погрешность 0,5…1 %), малой потерей давления, независимостью показаний от вязкости, значительным вращающим моментом. Недостатком этих счетчиков является необходимость хорошей фильтрации измеряемой среды, а также высокий уровень акустического шума.

Рис. 64. Схема счетчика с овальными шестернями

Для измерения газовых потоков применяют ротационные газовые счетчики, принцип действия которых аналогичен принципу действия счетчиков с овальными шестернями. Они применяются для измерения расходов от 40 до 40000 м/ч и имеют класс точности 2 и 3.

К числу объемных счетчиков для измерения расхода жидкости относятся лопастные счетчики , характеризуемые верхним пределом измерений 100…300 м/ч и классами точности 0,25 и 0,5.

Скоростные счетчики позволяют установить величину расхода по зависимости частоты вращения аксиальной или тангенциальной турбинки от объемного расхода потока. Если к турбинке (рис. 65) последовательно подключить тахогенератор и вольтметр, то по показанию вольтметра можно судить о скорости потока. А можно подключить счетчик оборотов и измерять расход за определенный отрезок времени. Классы точности приборов 1; 1,5; 2 при расходах 3…1300 м/ч.

На рисунке 65 показан также скоростной счетчик с тангенциальной турбинкой 1. (Цифрой 2 обозначен фильтр.) Такие счетчики применяют при расходе до 3…20 м/ч и имеют класс точности 2 и 3.

Дроссельные расходомеры. Одним из самых распространенных принципов измерения расхода жидкостей, газа и пара является принцип переменного перепада давления на сужающем устройстве.

Преимуществами этого метода являются: простота и надежность, отсутствие движущихся частей, низкая стоимость, возможность измерения практически любых расходов, возможность получения градуировочной характеристики расходомеров расчетным путем.

Рис. 65. Схема скоростного счетчика с аксиальной и тангенциальной турбинками.

1 - струевыпрямитель, 2 - передаточный механизм, 3 - счетное устройство, 4 – камера, 5 – червячная пара, 6 – турбинка.

В соответствии с изложенным принципом в трубопровод устанавливают сужающее устройство. Скорость потока через отверстие сужающего устройства выше, чем до него, вследствие чего на сужающем устройстве создается перепад давления, измеряемый дифференциальным манометром. Показания дифференциального манометра зависят от скорости потока в сужении или от расхода потока. Схемы стандартных сужающих устройств и места подключения ветвей дифференциального манометра показаны на рисунке 66.

Рис. 66 Схемы сужающих устройств: а) диафрагма, б) стандартное сопло, в) сопло Вентури, г) труба Вентури

Расходомеры обтекания (ротаметры). В этих расходомерах обтекаемое тело (поплавок, поршень, клапан, поворачивающаяся пластинка, шарик и др., примеры на рисунках 67 и 68) воспринимает со стороны набегающего потока силовое воздействие, которое при возрастании скорости потока увеличивается и перемещает обтекаемое тело. В качестве противодействующей силы служит вес обтекаемого тела или сила пружины. Расходомеры конструируются таким образом, что перемещение обтекаемого тела сопровождается изменением площади проходного сечения для прохода жидкости или газа. При этом увеличение скорости потока приводит к увеличению проходного сечения. Вследствие чего скорость потока уменьшается. Такая отрицательная обратная связь приводит к стабилизации положения обтекаемого тела. Выходным сигналом рассматриваемых преобразователей расхода является перемещение обтекаемого тела.

Рис. 67. Схемы преобразовательных элементов расходомеров обтекания а) поплавковый, б) клапанный, в) поршневой

Рис. 68. Схемы расходомеров обтекания: а), б) – поплавкового типа; в), г) – клапанного типа; д) – поршневого типа.

Обозначения на рисунках.

Рисунок а: 1 – стеклянная коническая трубка, 2 – поплавок, 3 – ограничитель хода поплавка, 4 – шкала.

Рисунок б: 1 – цилиндрический поплавок с отверстием по середине, 2 – неподвижный стержень конического сечения, 3 – стеклянная цилиндрическая трубка.

Рисунок в: 1 – клапан, 2 – кольцевая диафрагма, 3 – металлический корпус, 4 – шток, 5 – сердечник дифференциально-преобразовательного элемента 7, 6 – трубка из немагнитной стали.

Рисунок г: 1 – пневмодроссель, 2 – пневматическое сопло, 3 – магнит, 4 – трубка из немагнитного материал, 5 – сердечник, 6 – клапан, 7 – сильфон.

Рисунок д: 1 – грузы, 2 – поршень, 3 - сердечник, 4 – индукционная катушка, 5 – канал подвода выходного давления в надпоршневое пространство, 6 – выходное отверстие прямоугольной формы из подпошневого пространства.

Ротаметры с выходным пневматическим сигналом 0,02 ..0,1 МПа выпускают классов точности 1,5 и 2,5.

Кроме перечисленных видов для измерений расходов используются расходомеры переменного уровня, электромагнитные, тепловые (калориметрические) и другие расходомеры.

Литература

1.Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений.- 2004.

2.Бриндли К. Измерительные преобразователи. Справочное пособие.- 1991.

3.Козлов М.Г. Метрология и стандартизация. Учебное пособие.- 2004.

4.Болтон. Карманный справочник инженера метролога.- 2002.

5.Харт З. Введение в измерительную технику.- 1998.

6.Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник.- 2010.

1.Методы и средства измерений электрических величин………………… ………..1

1.1.Меры электрических величин…………………………… …… …………..1

1.2.Электроизмерительные приборы……………………………… … ……….4

1.3.Осциллографы. Цифровые приборы………………………………… ……..10

1.4.Аналоговые измерительные преобразователи……………………… ……..14