Прибор для измерения силы

Прибор для измерения силы, или динамометр – устройство, с помощью которого измеряется величина силы или момента силы. Изобретенное более 200 лет назад оно со временем постепенно совершенствовалось, становясь все более компактным, удобным и точным. О том, что собой данный прибор представляет, из чего состоит, как работает, каких видов бывает, пойдет речь в данной статье.

Современный динамометр

Измерение силы в системе СИ

В системе СИ единицей измерения силы являются ньютоны (сокращенно Н). Один ньютон – это такая сила, которая за 1 секунду способна изменить скорость движения твердого тела, имеющего массу 1 кг, на 1 м/с.

Так как ньютоны являются производной единицей, то в современных измерителях они заменены на килограммы. Единственной сферой, где данную единицу измерения используют, являются лабораторные учебные приборы, применяемые в школах, средне специальных учебных заведениях.

Принцип действия и история изобретения

Первым устройством для измерения силы были изобретенные в первой половине XVIII века весы. Самый простой пружинный измеритель был сконструирован только спустя 100 лет в 1830 году английским ученым Ричардом Солтером. Вслед за измерителями механическими в первой половине XX были изобретены гидравлические приборы. Более совершенные и точные электрические динамометры появились уже во время бурного развития полупроводниковых приборов во второй половине XX века.

Самый простой измеритель силы имеет следующее принципиальное устройство:

• Упругий силовой элемент – упругое тело, на которое напрямую воздействует измеряемая сила. Таким элементом могут быть стальная, обладающая высокой упругостью пружина, вода, различные датчики.
• Измеряющее устройство (аналоговое или цифровое) – жидкокристаллический дисплей, круглый градуированный циферблат или шкала, по которым перемещается подвижная стрелка.

Работает самый простой пружинный динамометр следующим образом:

1. На упругий силовой элемент – пружину воздействует измеряемая сила, вызывая его деформацию (растяжение).
2. Растягивающаяся пружина приводит в движение закрепленную на ней стрелку, которая, передвигаясь по вертикальной шкале, регистрирует величину приложенного к концу упругого элемента усилия.
3. После снятия усилия пружина сжимается, стрелка возвращается в исходное положение, соответствующее нулевому значению.

Точность и корректность получаемых с помощью такого прибора данных гарантированы только при условии применения в его конструкции упругого тела, деформирующегося под воздействием внешней силы и принимающего после его прекращения исходное состояние.

К таким телам относятся всевозможные пружины, а также заключенные в цилиндры жидкости.

Виды приборов

В зависимости от конструкции и принципа действия, все динамометры подразделяются на механические, гидравлические, электрические. Особой категорией измерителей силы являются одноразовые датчики.

Механические (рычажные или пружинные) динамометры

Механические динамометры измеряют силу и ее момент, благодаря таким физическим процессам, как упругое растяжение и сжатие.

Основными разновидностями таких приборов являются:

• Рычажные – в таких приборах упругим телом служит рычаг, деформация которого передается на соединенный с ним датчик или измерительное устройство;
• Механические – это самые простые и распространенные динамометры, состоят из упругой пружины, соединенной со стрелкой, перемещающейся по круглой или вертикальной шкале, с нанесенными делениями, или датчиком, который передает электрический сигнал на электронный блок с электронным табло (монохромным жидкокристаллическим дисплеем).

Безмен – прибор для измерения веса (тяжести) различных предметов

Гидравлический динамометр

Гидравлический измеритель состоит из:

• Нескольких цилиндров, внутри которых находятся подвижные штоки с поршнями;
• Рычага, закрепленного на верхней части штоков;
• Измеряющего устройства (манометра).

В качестве рабочей жидкости в таких измерителях применяется масло.

Работает такой прибор следующим образом:

1. Прикладываемое к рычагу усилие через штоки и поршни воздействует на находящуюся в цилиндрах жидкость;
2. Вытесняемая жидкость по трубкам поступает к манометру;
3. Манометр измеряет давление поступившей из цилиндров жидкости и отображает его на круглой аналоговой стрелочной шкале или жидкокристаллическом монохромном цифровом дисплее в виде определённого значения воздействующего на рычаг усилия.

Гидравлический измеритель усилия

Такие приборы позволяют определять значение силы с большей точностью, чем механические аналоги. Однако, по сравнению с последними, такие динамометры характеризуются более высокой ценой, дорогостоящим ремонтом и обслуживанием, неточностью при разгерметизации цилиндров и появлении протечек рабочей жидкости.

Электрический динамометр

Электрические динамометры состоят из:

• Упругого элемента, соединённого с реагирующим на его деформацию датчиком индуктивного, емкостного, пьезоэлектрического, вибрационно-частотного или тензорезисторного типа;
• Усилителя поступающего от датчика электрического сигнала;
• Электронного блока, оборудованного дисплеем.

Принцип действия такого прибора достаточно прост:

1. Усилие, прилагаемое к упругому телу, регистрируется датчиком;
2. Датчик посылает электрический сигнал на усилитель, который, в свою очередь, передает его на электронный блок;
3. Электронный блок со встроенной микросхемой переводит полученный от усилителя сигнал в графическое изображение значения силы на дисплее.

Электрический динамометр

Одноразовые датчики

Такие датчики, в отличие от описанных выше аналогов, используются для измерения разрушительных нагрузок, имеющих огромную мощность: очень сильного удара, мощного взрыва. Однако перед тем, как потерять целостность и полностью выйти из строя, они достаточно точно измеряют и передают на расположенный на безопасном расстоянии электронный блок данные о силе, разрушившей их.

Одноразовый датчик

Применение динамометров

Измерители силы широко используются в транспорте, коммунальном хозяйстве, спорте и реабилитационной медицине, робототехнике, создании протезов, производстве весов, строительстве гидротехнических сооружений, испытании тяговых механизмов грузовых автомобилей, электро,- и тепловозов.

Основными примерами повседневного использования динамометров являются:

• Обычные весы (электронные и аналоговые);
• Медицинские силомеры, используемые для определения усилия кистевого сжатия;
• Динамометрические (моментные) ключи, применяемые для затяжки резьбовых соединений с определенным усилием.

Знание того, каким прибором измеряют силу, позволяет не только взвешивать различные предметы с помощью безменов и весов, но и соблюдать усилия затяжки резьбовых соединений, производить определение состояния тонуса мышц рук.

Видео

Наглядно действие такого прибора можно посмотреть в следующем видео.

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич