Прибор для измерения силы получил название динамометр. В настоящее время они широко распространены в различных сферах жизни человека. Разберемся, какие виды данных устройств существуют, и что измеряют динамометром.
Содержание
История создания прибора
Ответом на вопрос какой прибор служит для измерения статической силы является динамометр (dynamometer). Кроме того, этим устройством можно также измерить момент силы. Как работает динамометр физика объясняет следующим образом.
В состав прибора входит силовой элемент и отсчетное устройство. Усилие, прикладываемое к силовому элементу, приводит к его деформации. Чем больше усилие, тем больше деформация. Уровень деформации отражается на отсчетном устройстве.
Эдме Ренье Лайне в конце восемнадцатого века изобрел прибор, основу которого составляла замкнутая пружина. Показания выводились на циферблат. Где-то в 1830 году Ричард Солтер предложил использовать пружину, которая растягивалась под действием прилагаемых усилий.
Появление гидравлических динамометров относится к началу двадцатого века. Ближе к концу двадцатого века появились уже электрические приборы.
Различные динамометры измеряют силу в широком диапазоне (0,1 –20 000 ньютонов).
Стоит отметить, что динамометры используются для измерения статических и динамических нагрузок.
Принцип действия
В состав любого измерителя силы входят:
- Силовой элемент — в качестве него могут использоваться пружина, вода, а также различные материалы, которые деформируются под внешним воздействием.
- Измеритель — в качестве измеряющего устройства используется круглый циферблат с различной ценой деления динамометра и стрелкой. Деление шкалы динамометра зависит от максимальной силы, которую может измерить прибор. В современных моделях используется жидкокристаллические дисплеи.
Динамометр измеряет силу в нютонах. Один ньютон равен силе, которую надо приложить к телу массой в один килограмм, для увеличения его скорости на один метр в секунду.
Принцип действия динамометра заключается в следующем. На силовой элемент, обладающий упругостью, действует внешняя сила, в результате чего силовой элемент деформируется. Эта деформация регистрируются специальным измерительным устройством. После завершения воздействия силовой элемент возвращается в исходном состоянии, а измерительный прибор показывает нулевой значение.
Виды и характеристики динамометров
Слово ”dynamometer” пришло к нам из Греции. В его основе греческие слова ”динамис” и ”метрео”. Первое переводится как ”сила”, а второе означает ”измерение”. В результате получается аппарат, измеряющий силу.
Приборы для измерения силы различаются по конструкции, области применения, диапазону измерения и функциональным возможностям. Ниже описаны основные виды динамометров, которые применяются в различных сферах народного хозяйства.
Механические
В работе механических динамометров используются процессы сжатия и растяжения. Такие устройства получили наибольшее распространение. По принципу действия они делятся на рычажные и пружинные.
Рычажные динамометры
В устройствах рычажного типа прилагаемая сила приводит к деформации рычага. По величине деформации можно определить силу. Такой принцип используется в специальных автомобильных ключах, которые носят название динамометрических. Точность измерения таких ключей существенно зависит от температуры.
Пружинные динамометры
Чтобы ответить на вопрос каким прибором измеряется сила тяжести, следует рассмотреть устройство пружинных динамометров. Пружинный динамометр основан на способности пружины сопротивляться сжатию и растяжению. Сила упругости пружины пропорциональна прилагаемой силе. По степени растяжения или сжатия пружины можно точно определить прилагаемую силу. К простейшим динамометрам пружинным можно отнести безмен. Если к нему присоединить груз, то можно определить силу тяжести, или иными словами — вес груза.
Перед измерением необходимо убедиться, что стрелка шкалы динамометра должна находиться в нулевом положении. Если без нагрузки устройство показывает ненулевое значение, то точность измерения существенно снижается. Такая ситуация может возникнуть при использовании прибора при нагрузках, превышающих допустимое значение. В результате возникает необратимая деформация рабочего элемента. Даже поправив стрелку прибора, добиться большой точности нельзя.
Гидравлические
В основе работы гидравлического динамометра лежит вытеснение прикладываемой силой к прибору жидкости из специального цилиндра. Выдавливаемая жидкость поднимается по цилиндру. По объему вытесненной жидкости можно определить величину приложенной силы. Такие аппараты отличаются высокой точностью, но цена у них выше. Важным условием работы является обеспечение герметичности.
В состав гидравлического динамометра входят:
- Цилиндры с подвижными поршнями;
- Рычаг, прикрепленный к поршню;
- Манометр, измеряющий изменение давления жидкости.
Для работы таких динамометров используется масло, которое обладает высокой вязкостью.
Электрические
В состав электрического динамометра входят следующие элементы:
- Рабочий элемент, на который действует внешняя сила;
- Усилитель сигнала;
- Блок управления, оборудованный электронным дисплеем.
При воздействии на рабочий элемент возникает деформация, которая регистрируется датчиком. Датчик может быть пьезоэлектрическим или вибрационным. Также порой используют емкостные и индуктивные датчики. Возникающий электрический сигнал поступает на усилитель. С него усиленный сигнал передается на электронное устройство, которые преобразует электронный сигнал в цифровую форму.
Питание электрических приборов осуществляется аккумуляторами, поэтому необходимо следить за уровнем заряда. Разряженный прибор будет выдавать неправильные значения силы. Существуют также модели, которые работают от стандартной электрической сети с напряжением 220 В.
Одноразовые датчики
Часто возникает задача определить силу разрушающих воздействий. Например, нужно определить силу взрыва или силу удара механического молота. В таком случае используют одноразовые датчики измерения силы. Они передают информацию на дистанционный электронный блок, который находится в защищенном месте. В результате датчик разрушается, но информация о силе, вызвавшей разрушения, остается у исследователей.
Становые
Внешне становой динамометр похож на ножной эспандер. Он включает в себя следующие составляющие:
- Удобная ручка;
- Трос, на котором располагается датчик;
- Подставка для упора ног;
- Устройство для считывания информации;
- Дисплей, на который выводятся показания динамометра.
Такие устройства используются в ортопедических медицинских учреждениях и неврологических клиниках. Также их иногда используют для определения физической готовности спортсменов. Становые динамометры используются при обследовании рабочих, которые заняты на работах с высокими физическими нагрузками. Чтобы получить точный результат надо выполнить следующие действия:
- Занять устойчивое положение на подножке устройства;
- Согнуться в пояснице, наклонив вперед корпус;
- Ноги в коленях не сгибаются;
- С приложением максимальной силы следу потянуть ручку прибора двумя руками одновременно.
Медицинские
Использование динамометров в медицине позволяет более качественно следить за здоровьем человека и выявлять отклонения на ранних стадиях.
Ручные динамометры используются для определения мускульной силы и правильного функционирования пальцев рук. Они позволяют определить степень выносливости и работоспособности организма. По показаниям динамометра можно сделать заключение о работе мышц пациента. Также они позволяют контролировать степень восстановление работы мышц после травмы. Среднестатистические показатели для кисти правой руки составляют около 40 кг у мужчин и около 30 кг у женщин.
Показатели для левой руки, как правило, ниже на несколько килограммов.
Становые динамометры используются для проверки различных групп мышц, которые отвечают за сгибание и разгибание человеческого тела. Такие приборы позволяют контролировать уровень физического развития пациента.
При профилактическом осмотре пожилых людей измерение силы кистей рук позволяет выявить мышечную слабость. Недостаточная сила мышц увеличивает вероятность преждевременной смерти.
Небольшая сила рукопожатия (ниже нормы) повышает вероятность заболеваний сердечно-сосудистой системы. Проведенные исследования показали, что снижение силы рукопожатия на пять килограммов повышает на 15% вероятность инфаркта и на 10 процентов – инсульта. Это объясняется тем, что слабость мускулатуры может быть связана с ухудшением эластичности сосудов.
Для оценки детского здоровья
Динамометром пользуются детские врачи, чтобы оценить вероятность возникновения отклонений в развитии ребенка. Проведенные американскими учеными исследования показали, что низкая сила кистей рук часто связана с замедленным физическим развитием ребенка.
С помощью измерения мышечной силы подростков можно также опередить уровень агрессивности. Такие изменения позволяют своевременно внести необходимые коррективы.
Образцовые
Эталонный прибор, который используется для статического измерения сил, называется образцовым динамометром. Они отличаются сложной конструкцией. Чтобы исключить влияние внешних факторов. В частности, их показания практически не зависят от температуры. Такие приборы отличаются небольшими размерами, высокой точностью и длительным сроком работы. Они оборудованы средствами диагностики и системой компенсации искажений. Современные эталонные приборы обладают цифровым дисплеем. Они могут быть подключены к компьютеру.
Кистевые
Ручной динамометр (другое название — кистевой) измеряет силу сжимания пальцев рук. Такой аппарат используется для измерения мышечной силы рук в армии, МЧС, в секциях боевых единоборств и экспедиторских компаниях.
Применение динамометров в повседневной жизни
Динамометры в обычной жизни используют в следующих случаях:
- При определения критических нагрузок;
- Для измерения показателей натяжения тросов и проводов;
- При калибровке приборов;
- Для контроля за качеством строительных материалов;
- При измерении тяговых усилий;
- В качестве измерителей критических нагрузок.
Динамометры нашли широкое применение в жизни. Они используются для контроля за усилием, с которым закрываются двери в вагонах метро и автобусах. Такие устройства контролируют силу, с которой закрываются двери лифтов, а также ворота в гаражах. В этих механизмах динамометры настроены на предельную нагрузку, чтобы избежать травм при очень сильном сжатии.
Также динамометры широко применяются в тех случаях, когда необходимо измерить тяговое усилие механизма. С помощью динамометра можно измерить силу и мощность тракторов, буксиров и тягачей. Такие динамометры могут измерять тяговые возможности до десятков тысяч ньютонов.
К динамометрам относятся также весы на производстве, которые определяют вес грузов.
