§30 Динамометр

Определения и обозначения

Динамометр — прибор для измерения силы. Его показание выражает величину силы в ньютонах, которые обозначают Н. Такой прибор позволяет не только заметить действие силы, но и сравнить его с другими воздействиями.

Пружинный динамометр — прибор, действие которого основано на деформации пружины и возникающей при ней силе упругости. Деформация — это изменение формы или размеров тела. Пружинный прибор удобен тем, что изменение пружины можно связать с измеряемой силой.

Шкала динамометра — размеченная часть прибора, по которой определяют измеряемую силу. На ней указаны значения, а промежуточные отметки помогают точнее считать показание. Чтобы прочитать результат, нужно смотреть на отметку, напротив которой остановился указатель.

Цена деления — значение силы, соответствующее одному промежутку между соседними отметками шкалы. Её находят по двум подписанным отметкам: разность их значений делят на число равных промежутков между ними. Зная цену деления, можно определить силу, даже если подписана не каждая отметка.

Как это устроено

Когда к динамометру прикладывают силу, она изменяет длину пружины: пружина деформируется. Одновременно возникает сила упругости, направленная против деформации; так пружина действует на тело, которое её растягивает. Когда указатель останавливается, силы уравновешиваются, и его положение можно использовать для измерения. Если прибор не закрепить или тянуть его неустойчиво, указатель будет двигаться, поэтому результат трудно считать.

Чем сильнее растягивают пружину, тем больше становится её деформация в пределах рабочего диапазона прибора. Это позволяет сопоставить каждому положению указателя определённое значение силы. Прибор заранее размечают и проверяют, какому растяжению соответствуют известные силы. За пределами рабочего диапазона такая связь может нарушиться, поэтому показание там использовать нельзя.

Внутри корпуса находится пружина: она деформируется под действием приложенной силы. Указатель связан с пружиной и перемещается, когда меняется её длина, показывая результат на шкале. Корпус удерживает детали и помогает пользоваться прибором, не касаясь пружины. Шкала содержит отметки силы, по которым соотносят положение указателя с числом ньютонов.

Чтобы разметить шкалу, к пружине прикладывают известные силы и отмечают положения указателя, соответствующие этим воздействиям. Между значениями ставят промежуточные отметки, а расстояния между ними в пределах рабочего диапазона делают равными. Тогда одинаковое смещение указателя означает одинаковое изменение силы, и цену деления можно находить простым подсчётом. Если промежутки неравны, по одному числу делений нельзя было бы определить силу.

Перед измерением прибор закрепляют так, чтобы он не двигался, и прикладывают силу вдоль его оси. Затем ждут, пока указатель остановится: движущийся указатель не показывает устойчивый результат. Сначала определяют цену деления и проверяют, не превышен ли предел шкалы. После этого считывают положение указателя и выражают силу в ньютонах.

Устройство динамометра и правила измерения силы

Пользуйтесь таблицей как памяткой: сначала проверьте состояние и положение прибора, затем определите шкалу и дождитесь остановки указателя. При считывании отсчитывайте промежутки от ближайшей подписанной отметки. Если указатель выходит за предел шкалы, измерение нужно повторить прибором подходящего диапазона.

Разбор задач

Как найти цену деления

На шкале динамометра между отметками 0 Н и 2 Н расположены четыре равных промежутка. Найдите цену деления. Нужно выяснить, какая часть разности между значениями крайних отметок приходится на один промежуток. Считаем именно промежутки, а не количество подписанных чисел.

1. Находим разность значений отметок: 2 Н − 0 Н = 2 Н.
2. Делим полученную разность на число промежутков: 2 Н : 4 = 0,5 Н.
3. Проверяем смысл результата: четыре промежутка по 0,5 Н дают в сумме 2 Н.

Ответ: цена деления равна 0,5 Н.

Как считать показание по делениям

Указатель остановился на третьем делении после отметки 1 Н. Цена деления шкалы — 0,2 Н. Определите измеренную силу. Начать нужно с подписанной отметки, а затем прибавить значение трёх промежутков, пройденных указателем. Так мы не путаем число делений с показанием прибора.

1. Записываем значение начальной отметки: 1 Н.
2. Находим, на сколько увеличивается сила за три деления: 3 · 0,2 Н = 0,6 Н.
3. Прибавляем это значение к начальной отметке: 1 Н + 0,6 Н = 1,6 Н.

Ответ: измеренная сила равна 1,6 Н.

Если указатель вышел за шкалу

Груз подвесили к динамометру, шкала которого рассчитана на силы до 5 Н, но указатель вышел за её предел. Результат нельзя считать достоверным, потому что прибор не предназначен для измерения силы больше максимальной отметки. Нельзя продолжать шкалу мысленно и оценивать показание на глаз: за рабочим диапазоном соответствие между растяжением и силой не гарантировано.

1. Проверяем предел прибора: он измеряет силы не более 5 Н.
2. Отмечаем, что указатель вышел за шкалу, поэтому точного показания получить нельзя.
3. Выбираем динамометр с большим пределом измерения и повторяем опыт, приложив силу вдоль его оси.

Ответ: результат недостоверен; нужно провести измерение прибором подходящего диапазона.

Типичные ошибки

• Некоторые считают цену деления по количеству подписанных чисел. Это происходит потому, что подписи заметнее промежуточных штрихов, но значение приходится на каждый равный промежуток, а не на каждую подпись. Проверьте себя: посчитайте промежутки между двумя подписанными отметками и разделите разность значений именно на их число.

• Можно прочитать значение не по указателю или принять отметку рядом с ним за точное показание. Такая ошибка возникает, если считывать шкалу поспешно или не учитывать цену деления. Проверьте, где остановился указатель, отсчитайте деления от подписанного числа и при необходимости прибавьте их значение.

• Если прикладывать силу не вдоль оси динамометра, показание может оказаться неправильным. При боковом воздействии прибор нагружается иначе, чем предусмотрено его устройством. Проверьте, направлена ли сила вдоль прибора и не тянете ли вы его в сторону.

• Показание за пределом шкалы иногда пытаются оценить на глаз. Так поступают, забывая, что динамометр рассчитан только на свой диапазон и за его пределами результат не подтверждён шкалой. Проверьте максимальное значение и, если указатель вышел за него, возьмите прибор с большим пределом.

Связь с другими темами

Для понимания работы динамометра нужно знать, что сила характеризует действие одного тела на другое и измеряется в ньютонах. Также пригодится понятие упругой деформации: после неё тело стремится восстановить форму, и возникает сила упругости. Динамометр используют при изучении веса тела, силы трения и других сил. Он помогает проводить лабораторные измерения и сравнивать действия разных тел.

Что запомнить

• Динамометром измеряют силу.
• Единица силы — ньютон (Н).
• Действие пружинного динамометра основано на деформации пружины.
• Чем больше сила, тем больше растяжение пружины в пределах рабочего диапазона прибора.
• Перед измерением нужно определить цену деления и проверить предел шкалы.
• Силу прикладывают вдоль оси прибора, а показание считывают по указателю.