§ 42. Измерение силы

Определения и обозначения

Сила — физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое; её обозначают буквой F и измеряют в ньютонах. Сила может изменять скорость тела или вызывать его деформацию. Числовое значение силы позволяет сравнивать взаимодействия тел.

Ньютон — единица измерения силы, обозначается Н. Например, запись F = 5 Н означает, что сила равна пяти ньютонам. Эта единица нужна, чтобы результаты измерений разных людей можно было сопоставлять.

Динамометр — прибор для измерения силы, действие которого основано на деформации пружины. Обычно сила растягивает пружину, а её удлинение передаётся указателю. По шкале прибора находят числовое значение измеряемой силы.

Цена деления — значение силы, соответствующее одному делению шкалы прибора. Она помогает определить показания, даже если указатель находится между подписанными отметками. Без цены деления нельзя точно прочитать результат.

Как это устроено

Силу нельзя увидеть непосредственно, поэтому о ней судят по действию на тело. Одно и то же действие можно сравнить с заранее выбранным эталоном, то есть единицей силы. Если действие вызывает в два раза больший измеряемый эффект, говорят, что сила имеет в два раза большее значение.

Пружина растягивается под действием силы, потому что части её материала смещаются относительно друг друга. При небольших деформациях увеличение силы вызывает пропорциональное увеличение удлинения. Поэтому каждому растяжению можно сопоставить определённое значение силы и по деформации восстановить результат измерения.

В динамометре есть упругая пружина, корпус, указатель и шкала. К грузу или другому телу прикладывают крючок, сила растягивает пружину, а указатель перемещается вдоль шкалы. Шкала заранее связывает положение указателя с соответствующими значениями силы.

Чтобы проградуировать динамометр, к нему по очереди прикладывают известные силы. Для каждой силы отмечают положение указателя и подписывают соответствующее значение в ньютонах. Между такими отметками наносят равные промежуточные деления, если зависимость в данном диапазоне позволяет считать их равными.

Перед работой указатель должен совпадать с нулевой отметкой: иначе к результату добавится ошибка самого прибора. Затем определяют цену деления, находят уровень указателя и отсчитывают значение по шкале. Силу прикладывают вдоль оси динамометра и следят, чтобы показание не вышло за максимальную отметку.

Измерение силы с помощью динамометра

Сначала определяют величину и единицу измерения, затем проверяют сам прибор и его шкалу. После этого находят цену деления и считывают положение указателя. Результат записывают числом вместе с обозначением Н.

Направление силы тоже учитывают: боковое натяжение может мешать свободному движению пружины. Если указатель стоит между отметками, число промежутков позволяет выбрать нужное промежуточное значение.

Разбор задач

Задача 1

По шкале динамометра нужно определить силу, если указатель находится между отметками 2 Н и 3 Н. Между этими отметками расположены пять равных делений. Значит, весь интервал от 2 Н до 3 Н разбит на пять промежутков.

1. Находим разность соседних подписанных значений: 3 Н − 2 Н = 1 Н.
2. Делим её на число промежутков: 1 Н : 5 = 0,2 Н.
3. Отметив положение указателя от 2 Н, прибавляем соответствующее число промежутков. Например, если указатель стоит на третьем промежутке, получаем 2 Н + 3 · 0,2 Н = 2,6 Н.

Ответ: цена деления равна 0,2 Н, а при указанном положении на третьем промежутке показание равно 2,6 Н. Если на шкале указатель занимает другой промежуток, к 2 Н прибавляют 0,2 Н за каждый пройденный промежуток.

Задача 2

Динамометр показывает 4 Н при растяжении пружины на 2 см. Нужно найти растяжение для силы 6 Н при той же шкале прибора. В пределах градуировки сила и удлинение пружины изменяются пропорционально.

1. Находим, во сколько раз сила 6 Н больше силы 4 Н: 6 : 4 = 1,5.
2. Во столько же раз увеличиваем растяжение: 2 см · 1,5 = 3 см.
3. Проверяем смысл результата: сила выросла в полтора раза, поэтому и удлинение должно вырасти в полтора раза.

Ответ: растяжение, соответствующее силе 6 Н, равно 3 см. Вывод справедлив только в пределах шкалы, где зависимость пружины считается пропорциональной.

Задача 3

Нужно сравнить силы тяжести двух грузов и определить силу тяжести каждого. Грузы подвешивают по очереди, чтобы их сила действовала вдоль оси динамометра. Перед началом проверяют, что без груза указатель стоит на нуле.

1. Подвешиваем первый груз и ждём, пока указатель остановится; записываем показание F₁ с единицей Н.
2. Снимаем первый груз, подвешиваем второй и аналогично записываем F₂.
3. Сравниваем числа: большее показание означает большую силу тяжести, а разность F₂ − F₁ показывает, насколько силы отличаются, если F₂ больше F₁.

Ответ: сила тяжести каждого груза равна его показанию динамометра в ньютонах. Например, при показаниях 3 Н и 5 Н второй груз действует сильнее на 2 Н.

Типичные ошибки

Показание называют в килограммах, потому что путают массу и силу. Килограмм относится к массе, а показание динамометра записывают в ньютонах. Проверьте единицу в условии и в конце ответа.

Значение считывают просто от нуля, не определив цену деления. Поэтому промежуточные отметки считают неправильно или пропускают. Сначала найдите разность подписанных значений и разделите её на число промежутков.

Не проверяют нулевое положение указателя, потому что считают прибор автоматически готовым к работе. Смещение указателя добавляет ошибку ко всем измерениям. До подвешивания груза убедитесь, что указатель совпадает с нулём.

Силу прикладывают боком или превышают предел шкалы, надеясь получить более точный результат. Из-за этого пружина деформируется неправильно или портится. Натягивайте динамометр вдоль его оси и заранее оцените ожидаемое значение силы.

Связь с другими темами

Для работы нужны понятия силы, взаимодействия тел, деформации и единиц измерения физических величин. Эти знания помогают понять, почему показание прибора связано с растяжением пружины.

Измерение силы понадобится при изучении силы тяжести, веса тела, силы упругости и силы трения. В каждом случае динамометр позволяет получить числовое значение действия силы.

Навык чтения шкалы используется в лабораторных работах и при обработке результатов экспериментов. Проверка нуля, цены деления и направления силы делает измерения надёжнее.

Что запомнить

• Сила измеряется в ньютонах.
• Основной прибор для измерения силы — динамометр.
• Работа динамометра основана на деформации пружины.
• Перед измерением нужно проверить нулевое положение указателя.
• Цена деления равна разности соседних подписанных значений, делённой на число промежутков между ними.
• Показание прибора записывают с числовым значением и единицей измерения.
• Нельзя превышать предел измерения динамометра.