Отличается ли принцип действия динамометра. Динамометр. Характеристики. Виды. Динамометрия. Почему не каждый слышал про динамометр

Динамометр представляет собой специальное устройство, предназначенное для измерения показателей силы или получения параметров момента действующей силы. Этот измерительный прибор способен определить усилие либо силу, с которой один объект действует на другой. Такое воздействие можно встретить повсеместно: это двери лифтов, троллейбуса, метро, ворот и тому подобное.

Необходимо отметить, что первым устройством, которое применялось для измерения силы, являлись весы. Впервые такие весы появились в 1726 году. Через столетие Ричард Солтер создал прибор, в котором применялась пружина с целью измерения воздействия силы. Благодаря грузу она растягивалась на некоторое расстояние, которое соответствовало его массе. Спустя некоторое время Ренье создал устройство, на котором имелся циферблат. В нем применялась кольцеобразная замкнутая пружина. Затем стали появляться конструкции других изобретателей в лице Томсона, Броуна и так далее. Современное устройство по своей конструкции недалеко ушли от этих приборов.

Виды

Динамометр может иметь разные конструкции, которые довольно сильно различаются по предназначению, исполнению, функциям, диапазону измерений и тому подобное. Данные устройства можно разделить по измеряемым усилиям, то есть их можно классифицировать по диапазону измерения: от долей ньютонов до 20 тысяч ньютонов. Если говорить о принципе действия, то данные приборы могут быть различного действия в зависимости от их конструктивного исполнения. При этом в некоторых устройствах могут применяться сразу несколько принципов действия.

Механические подразделяются на изделия рычажного и пружинного действия. Особенность пружинного прибора в том, что сила воздействует на пружину, вследствие чего она может растягиваться или сжиматься, что в свою очередь определяется направленностью приложения силового фактора. Пружина обладает упругостью, которая находится в прямой пропорциональности от приложенной силы, которую необходимо измерить. Поэтому ее можно определить и зафиксировать. При использовании рычажного устройства сила направлена на деформирование рычага, что в свою очередь позволяет определить ее параметры.

Электронное оснащается цифровым дисплеем, где высвечивается информация о прикладываемой силе. В этих устройствах основополагающим элементом является датчик. Его функции это преобразование деформации от действия силы в электросигнал. Он также имеет дополнительный датчик, усиливающий основной сигнал, идущий от первого датчика. С целью преобразования деформационного действия применяются разнообразные датчики сопротивления, которые построены на индуктивном, тензорезистивном, пьезоэлектрическом и частотном принципе действия.

В гидравлических устройствах применяется специальный цилиндр, в котором находится рабочая жидкость. Если внешняя сила оказывает определенное воздействие, то находящаяся в цилиндре жидкость выходит из него. В результате сила определяется объемом вытесненной жидкости. Данный объем находится в прямой зависимости от приложенной силы, что позволяет достаточно точно определить искомый параметр.

В зависимости от сферы применения могут быть и специфические устройства, позволяющие измерять силу воздействия, к примеру, медицинские. Такие устройства позволяют определить силу, степень функционирования мышц, выносливость, в том числе дают возможность следить за состоянием и восстановлением больного после получения травмы.

В отдельную категорию можно выделить кистевое устройство, при помощи него диагностируется сжимающая сила рук вследствие нарушения их функционирования. Тесты с применением данного устройства используются не только в медицинских целях, но также во многих организациях: это правоохранительные органы, Министерство чрезвычайных ситуаций, вооруженные силы, экспедиторские компании, организация боевых единоборств и профессионального спорта. Становое устройство применяется с целью определения сил мышц, которые предназначены для выпрямления туловища человека.

Образцовый динамометр представляет собой эталон, применяемый для определения сил в статике, чаще всего сил сжатия и растяжения во время ремонта испытательных устройств и установок. Данные приборы имеют малую зависимость от температуры окружающей среды. Их конструкция более сложна, что вызвано необходимостью получения независимости от внешних факторов. Так у них предусмотрена автоматическая компенсация искажений и имеются средства самодиагностики. Они обладают малыми габаритами, точностью и долговечностью. Для удобства пользования данные приборы имеют цифровую индикацию, удобный интерфейс и возможность подключения к персональному компьютеру.

Устройство

В большинстве случаев данные приборы имеют схожее устройство и принцип действия. Но все определяется конструкцией устройства.

Самый примитивный динамометримеет следующее устройство:

• Корпус или основание, которое выполнено из пластмассы, дерева или иного материала.
• Шкала, которая нанесена на основание.
• Пружина из стали, которая с разных сторон имеет крючок и указатель.

При помощи крючка пружина крепится к основанию. Такое устройство очень просто в изготовлении, поэтому собрать его может любой человек, который знаком с основами физики. К примеру, для этого можно взять картонку, из которой следует вырезать основание размером 15 на 7 см. Далее потребуется пружина из металла диаметром проволоки 0,3-0,5 мм. Проволоку необходимо согнуть с одной стороны для закрепления к основанию. Для этого можно воспользоваться скотчем или степлером. С другой концы пружины следует сделать крючок.

Чтобы правильно нанести шкалу, потребуются небольшие мерные грузики. При помощи них на шкале проставляются данные по их весу, то есть на сколько пружина растягиваться, на такой длине и выставляются цифры. В результате появляется зависимость расставленных цифр на шкале от силы, которая прикладывается. Это значит, что можно измерить другую силу, которая будет приложена к пружине.

В электрических устройствах установлены пьезоэлектрические и т.п. датчики, которые работают посредством преобразования механической энергии в электрические сигналы. Данные сигналы усиливаются и фиксируются при помощи какого-либо элемента. К примеру, может быть использована шкала или цифровая индикация. Для возможности работы датчиков и цифровых устройств используются , или электрическая сеть.

Принцип действия

Принцип работы электрических устройств основан на том, что датчик испытывает определенную деформацию, вследствие чего происходит изменение токов сопротивления. В результате электросигнал находится в прямой зависимости от деформации элемента. Дополнительному датчику лишь необходимо усилить сигнал и записать его, чтобы можно было снять параметры прикладываемой силы.

Динамометр механического действия работает несколько иначе. Главная его особенность в том, что при приложении силы пружина подвергается деформационному воздействию. Благодаря такому свойству можно измерить параметры деформационного воздействия, то есть силу, которая прикладывается к ней.

Гидравлические приборы способны демонстрировать более высокую точность, однако и конструкция у них более сложная. Принцип работы подобного устройства базируется на перемещении жидкости, расположенной в резервуаре, в момент приложения силы. Жидкость, которая была вытеснена по трубке, направляется к прибору, который и фиксирует ее объем.

Применение

Динамометрпружинного типа часто применяется с целью определения массы всевозможных грузов. Также их используют для определения показателей прочности сварочных швов и других соединений.

Динамометр может применяться для получения точных данных, параметров сил, к примеру:

• Тяговых усилий.
• Напряжения мышц.
• Упругости.
• Тяжести.
• Трения.
• для ремонта, поверки различных приборов и их калибровки.

Благодаря их функциональности приборы можно использовать в медицинских, строительных, промышленных и во многих других целях. Некоторые модели устройств способны измерять силу, которая может достигать 20 тысяч ньютонов.

Как выбрать

• В первую очередь необходимо определиться с тем, для каких целей вы собираетесь использовать динамометр. Модели могут быть разными по конструкции и по исполнению, и предназначены для измерения разных диапазонов сил.
• Присмотритесь к функционалу устройств. Конечно, дополнительный функционал может добавить стоимости изделию, однако позволит прибавить удобство использования и большую точность определения сил. Это могут быть цифровая индикация, радиоканалы, usb и другие дополнительные элементы.
• Если вам нужно медицинское устройство, то лучше всего посоветоваться с лечащим врачом. Он предложит вам необходимую модель, чтобы вы не нанесли себе дополнительную травму и смогли быстрее восстановиться.
• Если устройство приобретается для специализированных целей, то прибор необходимо выбирать с учетом требований той сферы, где он будет применяться. Если это высокоточный прибор, то он будет требовать периодической проверки и систематического обслуживания. К примеру, лабораторные изделия нужно периодически подвергать поверочным мероприятиям, в частности отправляя их в лицензированные учреждения.

Динамометром измеряется сила или момент силы.

Устройство прибора

Прибор состоит из силового звена и устройства отсчета. Принцип действия основан на деформации, вызванной измеряемым усилием в силовом звене. Устройство отсчета напрямую или через передачу соединено с силовым звеном и отображает деформацию на шкале с делениями, если это механический прибор, или цифрами на табло, если прибор электронный.

Динамометр в повседневной жизни

Зачем нужен прибор для измерения силы в повседневной жизни? У многих людей есть устройство, как весы, напольные или кухонные, или даже безмен. Эти приборы работают по тому же принципу. А зачастую можно встретить и такое название "весы динамометрические". Такие весы используются для взвешивания больших и тяжелых грузов с помощью кранов.

Динамометр нашел широкое применение в спортивной медицине и физиологии. С помощью кистевого динамометра измеряется сила мышц, сгибающих пальцы кистей рук, что используется для оценки функций рук здорового человека или восстанавливающегося после травм. Становой динамометр позволяет оценить общую физическую подготовку человека. Исследования физического состояния применяются в неврологии при диагностике заболеваний, сопровождающихся мышечной слабостью.

Принципы работы динамометра используются для измерения сил сжатия автоматических систем: или автоматические двери в супермаркете, автомобильные электростеклоподъемники, створки ворот. Если данный параметр настроен неправильно, то это может повлечь вред здоровью или нанести материальный ущерб. Поэтому были разработаны и строго применяются технические нормы, определяющие максимальную силу сжатия закрывающих автоматических систем.

Многим автомобилистам известен такой инструмент, как динамометрический ключ. Динамометрическая система такого ключа позволяет с ювелирной точностью закрутить гайку так, чтобы не повредить резьбу и при этом она не раскрутилась в самый неподходящий момент.

По назначению динамометры делятся на образцовые и рабочие. Образцовые динамометры различаются по степени точности (I, II, III степени). Они применяются для оценки точности и градуировки рабочих динамометров, а также для контроля усилия машин, проверяющих механические свойства изделий и материалов. Рабочие динамометры применяются для измерения тяговых усилий крупной техники, такой как тракторы, тягачи, буксиры.

Динамометр (силомер) - прибор, предназначенный для измерения сил. Действие такого прибора основано на том, что упругие деформации пропорциональны прикладываемым силам.

На рис. 109 показан динамометр, используемый в школах при выполнении лабораторных работ по физике. Он состоит из пружины 1, один конец которой прикреплен к основанию 2. К другому концу пружины прикреплена стрелка 3 и проволока 4 с крючком па конце. На основание 2 нанесена шкала 5, пользуясь которой можно определить силу, растягивающую пружину. Отметка «0» на шкале соответствует нерастянутому состоянию пружины. Этот динамометр предназначен для измерения сил в ньютонах. Об атом свидетельствует буква Н (или N) над шкалой.

На шкалы динамометров цифры нанесены только против некоторых штрихов. Как же узнать значения деформирующих пружину сил, если стрелка динамометра не совпадает с оцифрованным штрихом? Для этого нужно прежде всего узнать цену деления шкалы прибора (т. е. на сколько изменяется значение силы, когда стрелка смещается на одно деление – расстояние между двумя соседними штрихами). После этого подсчитывают число делений между двумя соседними оцифрованными штрихами. Например, на рис. 109 между штрихами, около которых стоят цифры 2 и 3, находится 10 делений. Следовательно, цена деления этого динамометра равна (3 – 2) / 10 = 0,1 Н на деление. Стрелка динамометра отстоит на 4 деления от штриха с цифрой 2. Поэтому модуль деформирующих пружину сил равен 2 Н + 4 · 0,1 Н = 2,4 Н.

Найденное значение силы упругости не является истинным. Динамометр, как и всякий прибор, имеет погрешность. В паспорте школьного динамометра, рассчитанного на измерение сил в пределах от 0 до 5 Н, говорится, что погрешность прибора Δ пр = 0,05 Н в любом месте шкалы. С учетом погрешности отсчета, равной Δ о = 0,05, получаем, что общая погрешность Δ = Δ пр + Δ о = 0,10 Н. Следовательно, истинное значение измерешюй силы лежит в промежутке от (2,40 - 0,10) Н = 2,3 Н до (2,40 + 0,10) Н = 2,5 Н. Кратко результат измерения силы можно записать в виде: 2,3 Н ≤ F ≤ 2,5 Н.

На рисунке 110 показан медицинский динамометр для измерения мускульной силы руки при сжатии кисти в кулак. Имеются динамометры (рис. 111), на шкалы которых нанесены деления, позволяющие измерять массу подвешиваемого тела непосредственно в килограммах (или других единицах измерения массы).

Когда динамометр с подвешенным телом покоится относительно Земли, динамометр показывает вес тела. При этом вес тела по модулю пропорционален его массе (P = m · g). Это и позволяет задать цену деления шкалы динамометра в единицах массы, а сам прибор использовать для измерения массы.

Промышленность выпускает динамометры, предназначенные для измерения сил от сотых долей ньютона до нескольких десятков килоньютонов. На рис. 112 показан так называемый тяговый динамометр.

Итоги

Динамометр – прибор для измерения сил.

Принцип действия динамометров основан на однозначной зависимости модуля упругих деформаций от модуля деформирующих сил.

Точность измерения сил определяется погрешностью динамометра, которая указывается в паспорте прибора.

Вопросы

1. Что такое динамометр? На чем основан принцип действия динамометра?
2. Как изготовить простейший динамометр и отградуировать его?
3. Как определить погрешность измерения сил динамометром?

Упражнения

1. Определите массу гири, показанной на рис. 109. Указание: модуль ускорения свободного падения считайте равным 10 м/с 2 . Погрешность динамометра Δ = 0,10 Н.

2. Определите модуль силы, с которой трактор, показанный на рис. 112, тянет прицеп. Указание: погрешность тягового динамометра считайте равной цене деления между соседними штрихами на его шкале.

* 3. На рис. 113 представлен современный цифровой динамометр с подвешенной гирей массой 2 кг. Штатив, на котором закреплен динамометр, стоит на полу лифта. Найдите ускорение лифта в момент фотографирования, если в неподвижном лифте на шкале динамометра были цифры 2,00, а в движущемся – 2,50.

4. Возьмите несколько бытовых динамометров разных конструкций. Определите для каждого прибора пределы измерения и цену деления шкалы. Проведите взвешивание одного и того же тела разными динамометрами. Сравните результаты с учетом погрешности измерений.

5. Приготовьте напольные весы. Установите их в кабине лифта, стоящего на первом этаже, встаньте на них и зафиксируйте показание. Нажмите кнопку верхнего этажа, наблюдайте за изменением показаний весов в моменты, соответствующие: а) началу разгона лифта; б) равномерному движению; в) началу торможения перед остановкой. Объясните причины изменений в показаниях весов. Повторите эксперимент при спуске лифта с верхнего этажа на первый. Сопоставьте результаты экспериментов, объясните различия.

Динамометр – это прибор, с помощью которого можно определить силу человеческих мышц и на основе полученных результатов сделать вывод о состоянии здоровья пациента или физической подготовки спортсмена.

Виды динамометров

В основе конструкции любого динамометра лежат силовая и отсчетная составляющие. Прикладывая усилие для деформации силовой части, человек может видеть на отсчетном устройстве результат, измеряемый в международных единицах измерения силы – Ньютонах (Н).

Среди наиболее часто используемых динамометров по силовым составляющим различают:

• механический пружинный (силовая составляющая – пружина);
• механический рычажный (усилие передается с помощью рычага);
• гидравлический (сила измеряется количеством выдавленной из гидроцилиндра жидкости);
• электронный (система датчиков, фиксирующая преобразованную в электрический сигнал силу).

Результаты, полученные с помощью механических версий измерительного прибора, могут быть неточными и колеблются в зависимости от температуры. Это одни из первых версий устройств, которые практически не изменились после многочисленных модернизаций.

Гидравлический намного точнее, но и значительно дороже механических динамометров. Причина этого заключается в сложности производства, где точность дозирования и качество герметичности играют ключевую роль.

Электрический динамометр – наиболее совершенный, компактный и точный современный измерительный прибор.

Вариативность зависит от типа датчика, но принцип работы у всех моделей один и тот же: приложенное усилие деформирует датчик, провоцируя тем самым повышение его сопротивления. Меняется ток – меняются показания, снимаемые считывающей их составляющей.

По назначению различают динамометры:

Ручной или кистевой — предназначен для измерения силы пальцев рук. Встречаются механические и электронные варианты.

Становой — предназначен для тестирования мышц корпуса тела и представлен в виде конструкции из подставки под ноги, троса, измерительного прибора и отсчитывающего устройства. Фото динамометров наглядно демонстрируют различия между вышеописанными моделями.

Маркировка

Человеку, знающему, какие есть динамометры, выбрать нужный легко. Для тех же, кто сталкивается с необходимостью приобретения впервые, будет полезным умение читать двухкомпонентную маркировку динамометров.

Первая часть маркировки состоит из буквенной аббревиатуры, расшифровав которую можно узнать о его назначении. Среди линеек динамометров российских производителей наиболее распространены: ДК (динамометр кистевой), ДМЭР (динамометр электронный ручной) и ДС (динамометр становой).

Вторая часть маркировки – цифровое обозначение. Это верхняя граница диапазона измерений силы динамометром. Так, например, ДМЭР-120 позволяет проводить измерения силы до 120 даН (12000 ньютон).

Тонкости вычислений

Поскольку абсолютные показатели получать довольно-таки проблематично, то внимание стоит обращать на величину относительной силы. Ее рассчитывают методом умножения полученного результата на 100, с последующим делением произведения на вес тестируемого человека.

Для здоровых людей, не увлекающихся спортом, нормальными считаются следующие индексы:

• для женщин: кистевой индекс 45-50, становой 200;
• для мужчин: кистевой 60-70, становой 230.

Отклонения в меньшую сторону свидетельствуют о физической слабости, вызванной болезнью или пассивным образом жизни. Отклонения в большую сторону свидетельствуют об отменном состоянии мышц опорно-двигательного аппарата и характерны для тех, кто не пренебрегает физическими нагрузками.

При проведении измерения динамометром следует помнить о некоторых нюансах, влияющих на конечный результат. За исключением возраста и состояния здоровья на итоговые значения, полученные в процессе замера силы, влияют так же общее психологическое состояние и время суток.

Так, замечено, что наилучшие результаты достигаются при проведении измерения силы в середине дня (утром и вечером значения ниже), а при психологической подавленности (стресс, усталость) показатели снижаются.

Поэтому, если измерения силы с помощью динамометра проводятся с целью проверки прогресса, то лучше всего их проводить в одно и то же время суток.

Фото динамометра

Динамометром принято называть контрольно-измерительное устройство (прибор), который используется для измерения силы сжатия либо растяжения (в декаНьютонах), а также момента силы, измеряемого в килограммах силы.

Данные приборы существенно отличаются друг от друга по таким параметрам, как:

• функциональная принадлежность;
• предназначение;
• конструкция силового звена изделия.

Этим обусловлено то, что значение измеряемого усилия, в зависимости от модели, может лежать в диапазоне: сотая доля Н – десятки тысяч КН. Очень распространенным устройством является .

Устройство классического динамометра состоит всего из двух элементов: отсчётного и силового устройства. В процессе выполнения замера измеряемое усилие деформирует силовое звено. Значение деформации посредством электрического сигнала (вариант – путём механической его передачи) поступает на цифровое (в первом случае) или аналоговое (во втором) отсчётное устройство.

В зависимости от типа применяемого силового устройства и реализованного принципа его действия, динамометры подразделяют на:

1. Гидравлические.
2. Механические:
   • пружинные;
   • рычажные.