Какие силы действуют на тело при взвешивании его с помощью динамометра кратко
Обновлено: 02.07.2024
В данном уроке мы познакомимся с новым прибором, который называется динамометром. С его помощью можно измерить силу, действующую на тело.
Динамометр — это прибор для измерения силы.
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.
Пружинный 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.
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.
Рисунок 2. Градуировка динамометра.
Из прошлого урока нам известно, что на груз массой $\frac$ кг ($102$ г) будет действовать сила тяжести, равная $1$ 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 $204$ г, $306$ г, $408$ 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.
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 $0,1$ 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. 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
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.
Принцип действия таких динамометров основан на определении количества жидкости, вытесняемой из цилиндра под действием измеряемой силы.
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 3). С его помощью измеряется мускульная сила руки при сжатии кисти в кулак.
Рисунок 3. Силомер — электронный кистевой динамометр.
Для того чтобы измерить тяговые усилия локомотивов, тракторов, морских буксиров и другой техники, используют специальные тяговые динамометры (рисунок 4).
Рисунок 4. Применение тягового динамометра.
Такие динамометры способны измерять силы до нескольких десятков тысяч ньютонов. Современные модели имеют пульт дистанционного управления с дисплеем (рисунок 5).
Рисунок 5. Тяговый динамометр.
При монтаже проводов и кабелей используют динамометры для определения силы натяжения провода (рисунок 6). Существуют специальные монтажные таблицы с необходимыми значениями.
Рисунок 6. Динамометр для монтажных работ.
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.
Силу тяжести, как и всякую другую силу, можно измерять динамометрами. Динамометры, специально предназначенные для измерения силы тяжести, называют пружинными весами , потому что с их помощью можно измерить вес тела . Что это за величина – вес ?
Рассмотрим процесс деформации пружины динамометра, когда к ней подвешен некоторый груз. Обратим внимание не только на то, что происходит с пружиной, но и на то, что происходит с самим грузом, подвешенным к пружине.
изображена пружина динамометра до того, как к ней был подвешен груз. Это недеформированная пружина (массой пружины пренебрегаем).
Подвесим к пружине груз. При своём падении он увлекает за собой и нижний конец пружины, вследствие чего пружина деформируется, как это показано на рисунке.
тоже приложена к телу, но направлена вверх. При определенном значении удлинения пружины сила упругости
Под действием этих двух сил, равнодействующая которых равна нулю, груз устанавливается в состоянии покоя.
Но если пружина динамометра действует на груз, то по третьему закону Ньютона и груз действует на пружину с такой же по абсолютному значению силой, но направленной в противоположную сторону, то есть вниз. Это тоже сила упругости. Возникает она из-за того, что и груз (а не только пружина) деформируется. В сильно увеличенном виде эта деформация (удлинение) показана на рисунке
Вот эту силу, приложенную не к телу, а к пружине, и называют весом тела. Вес тела принято обозначать буквой Р .
Если тело не подвешивать, а поместить на горизонтальную опору,
Весом тела называется сила, с которой неподвижное относительно Земли тело давит на горизонтальную подставку, на которой оно лежит, или растягивает нить, на которой оно висит.
Вес тела в системе СИ измеряется теми же единицами, что и сила – ньютонами. На практике часто пользуются единицей силы (веса)
Динамометром называют устройство для измерения силы; пружину, проградуированную пропорционально воздействующей на неё силе.
Для градуировки подвешивают груз известной массы, например, \(102\) грамм. Сила воздействия на пружину будет пропорциональна силе тяжести.
Нулевую отметку ставим в положении, когда пружина не растянута: на неё не действует сила тяжести груза.
Подвесим груз массой \(102\) г. Сила тяжести, действующая на пружинку, составит:
F тяж . = m ⋅ g = 0,102 кг ⋅ 9,8 Н кг ≈ 1 Н ;
Для измерения десятых долей ньютона нужно расстояния между отметками \(0\) и \(1\), \(1\) и \(2\), \(2\) и \(3\) и т.д. разделить на \(10\) равных частей.
Динамометр (от греческого слова "динамис" - сила) - это прибор для измерения силы.
Существуют различные конструкции динамометров. Силу тяги тракторов, тягачей, буксиров и т. д. измеряют с помощью тяговых динамометров (рис. 35).
Для измерения мышечной силы руки используют медицинский динамометр - силомер (рис. 36).
На рисунке 37 изображен учебный пружинный динамометр, рассчитанный на измерение сил до 4 Н. Он состоит из стальной пружины с указателем и крючком, прикрепленной к пластмассовому (в старых конструкциях к деревянному) основанию, на которое нанесена шкала (буква "N" на шкале динамометра - это международное обозначение ньютона).
Рисунок 35, 36, 37, 38. Различные виды динамометров.
Действие пружинного динамометра основано на уравновешивании измеряемой силы силой упругости пружины.
Градуирование пружины динамометра (т. е. создание шкалы с делениями) можно осуществить следующим образом. К основанию динамометра (под пружиной) прикрепляют полоску белой бумаги. Затем отмечают положение указателя при нерастянутой пружине - это нулевое деление (рис. 38, а). После этого к крючку подвешивают груз массой 102 г. На этот груз действует сила тяжести 1 Н. Под действием этого груза пружина растягивается и указатель перемещается вниз. В положении равновесия сила тяжести, действующая на груз, уравновешивается противоположно направленной силой упругости.
Следовательно, растяжение пружины при этом будет соответствовать силе упругости, также равной 1 Н. Поэтому новое положение указателя отмечают на бумаге цифрой 1 (рис. 38,6).
Затем к первому грузу подвешивают еще один такой же, увеличивая тем самым общую массу до 204 г, а силу тяжести - до 2 Н. Соответствующее положение указателя отмечают цифрой 2. После этого прикрепляют третий, а затем четвертый груз, каждый раз отмечая положение указателя соответствующей цифрой.
Для того чтобы можно было измерять десятые доли ньютона, каждое из расстояний между отметками 0 и 1, 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 делят на десять равных частей. Такое построение шкалы возможно благодаря закону Гука, из которого следует, что сила упругости пружины увеличивается во столько же раз, во сколько раз увеличивается ее удлинение.
Динамометр можно применять и для измерения веса тела.
Весом тела называют силу, с которой оно давит на горизонтальную опору или растягивает вертикальный подвес.
Р - вес тела.
Если к вертикально расположенному пружинному динамометру прикрепить груз, то после того, как груз растянет пружину и остановится, на крючок динамометра будут действовать две силы: сила упругости пружины Fупр и вес груза Р. Эти силы будут противоположны по направлению, но равны по величине. Поэтому динамометр позволяет измерить не только силу упругости (и равную ей силу тяжести груза), но и вес тела Р.
Вес покоящегося, а также равномерно и прямолинейно движущегося (относительно Земли) тела равен действующей на него силе тяжести:
P = mg
Несмотря на совпадение формул, между силой тяжести и весом тела есть существенное различие. Сила тяжести приложена к телу, на которое действует Земля, а вес тела приложен к подвесу или опоре, на которую это тело давит. Если обе эти силы изобразить в виде стрелок, указывающих их направление (а направлены эти силы вертикально вниз), то это будет выглядеть так, как показано на рисунке 39.
Рисунок 39. Изображение силы тяжести и силы, приложенной к опоре (веса тела).
Вес тела не следует путать с его массой. Масса тела измеряется в килограммах, а вес тела (как и любая другая сила в физике) - в ньютонах. Вес тела имеет направление, а масса никакого направления не имеет.
Виды динамометров
Из изученной темы на сегодняшнем уроке мы с вами узнали, что такое динамометр и что он применяются для измерения силы либо момента силы.
Такой прибор, как динамометр имеет упругий элемент, который состоит из силового звена и отсчетного устройства. Во время измерения измеряемое усиление в силовом звене динамометра влечет за собой деформацию, которая с помощью передачи либо же непосредственно несет информацию отсчетному устройству.
При помощи динамометра можно измерить различные усилия, начиная от долей ньютонов и до 1 Мн (100 тс).
А теперь давайте более подробно остановимся и узнаем, какие бывают виды динамометров и где они применяются.
По своему принципу действия динамометры делятся на:
• электронные;
• механические;
• гидравлические.
Механические динамометры в свою очередь бывают пружинные и рычажные.
Механический динамометр
Самым известным, простым и часто используемым является механический динамометр. Также мы с вами уже знаем, что такой динамометры делятся на пружинный и рычажный.
К пружинному динамометру относят такой прибор, в котором происходит воздействие силы на пружину. Пружина в этом случае имеет свойство растягиваться или сжиматься. Если быть более точным, то можно сказать, что в этом случае принцип работы можно определить с помощью закона Гука. Примером механического динамометра может служить известный каждому безмен.
В отличие от пружинного динамометра, рычажный имеет еще меньшую точность и сильно зависит от таких внешних условий, как температура.
Гидравлический динамометр
Но не во всех случаях удобно использовать механические динамометры. Вот, например, при взаимоотношении с жидкостями лучше будет использовать гидравлические динамометры, так как в этом случае причина кроется в возникновении давления, выталкивающего жидкость из сосуда, где фиксируется с помощью специального аппарата количество поступающей жидкости.
У гидравлического динамометра также имеются свои недостатки. Этот аппарат имеет довольно таки сложную конструкцию, обладает невысокой точностью и также подвергается внешним воздействиям окружающей среды.
Электрический динамометр
В отличие от механических динамометров, которые имеют довольно таки простую конструкцию, электрический динамометр появился не так давно и существует всего насколько десятилетий. Его основными элементами являются датчики, с помощью которых происходит анализ данных показаний деформации под действием силы с помощью преобразования данных в электрический сигнал, обработки сигнала и его записи в память прибора.
В наше время этот вид динамометра является самым популярным и часто употребляемым. Преимуществом этого прибора является его небольшой размер и небольшая зависимость от изменений внешних воздействий.
Но кроме уже перечисленных видов динамометров существуют и другие их классификации, которые применяются по назначению. К этим видам приборов можно отнести и такой важный прибор, как медицинский динамометр.
С помощью кистевого динамометра можно определить состояние человеческих мышц и узнать о физической форме человека. Такой аппарат просто необходим при реабилитации человека после травмы и чтобы, осуществлять контроль над восстановительными процессами.
И хотя различные динамометры имеют свои плюсы и минусы, но каждый из них находит свое применение. Ведь, если механический динамометр на производстве и не совсем удобен, то для использования в быту он незаменим, благодаря своей простоте и наглядности. Но, конечно же, самым употребляемым все же, остается электрический динамометр, хотя и имеет довольно таки сложную конструкцию.
Вопросы
1. Что такое динамометр?
2. На чем основано действие пружинного динамометра?
3. Что называют весом тела?
4. По какой формуле находится вес покоящегося тела?
5. Чем отличается вес тела от силы тяжести и массы тела?
Читайте также: