§ 20. Измерение силы

Определения и обозначения

Динамометр — прибор для измерения силы. Его показание показывает, насколько велика сила, действующая на прибор, а значение считывают по шкале. Динамометр нужен, чтобы вместо слов «слабая» или «сильная» получить численный результат.

Ньютон — единица измерения силы, её обозначают буквой Н. Например, запись 4 Н означает, что измеренная сила равна четырём ньютонам. Единица нужна, чтобы указывать, в каких величинах получен результат измерения.

Шкала динамометра — нанесённые на прибор деления с отметками значений силы. По положению указателя на шкале находят показание. Шкала помогает сопоставить перемещение указателя с числом, а не оценивать силу на глаз.

Цена деления — значение силы, соответствующее одному промежутку между соседними отметками шкалы. Её используют, чтобы прочитать показание и между подписанными числами. Без цены деления невозможно точно определить, сколько силы приходится на каждое маленькое деление.

Как это устроено

Когда к пружине прикладывают силу, она меняет форму: растягивается или сжимается. Это происходит потому, что части пружины под действием приложенной силы смещаются относительно друг друга. Чем больше сила, тем заметнее деформация; в пределах упругой деформации удлинение пружины растёт пропорционально силе. Если силу убрать, исправная пружина возвращается к прежней длине.

В пружинном динамометре один конец пружины закреплён, а другой связан с указателем. При приложении силы пружина деформируется, и указатель перемещается вместе с подвижной частью. Шкала расположена так, чтобы этому перемещению соответствовали значения силы. Поэтому, зная положение указателя, можно определить силу, не измеряя длину пружины отдельно.

Перед измерением нужно убедиться, что без нагрузки указатель совпадает с нулевой отметкой. Если он смещён, прибор уже показывает ненулевое значение, и результат окажется ошибочным даже при правильном отсчёте. Нулевое положение проверяют до приложения силы, а если конструкция позволяет — устанавливают указатель на ноль. Так отсчёт начинается от правильной исходной точки.

Чтобы прочитать шкалу, сначала определяют цену деления. Для этого находят разность значений двух подписанных отметок и делят её на число промежутков между ними: считать нужно промежутки, а не сами штрихи. Затем смотрят, сколько делений отделяет указатель от нуля или ближайшей подписанной отметки, и учитывают цену каждого деления. Такой порядок помогает точно прочитать и промежуточное значение.

Для измерения к динамометру прикладывают нужную силу: например, соединяют прибор с телом так, чтобы сила натяжения действовала вдоль него. Нельзя держать прибор так, чтобы на него действовало не только измеряемое усилие, иначе показание будет неверным. Указатель считывают, когда он остановился, а взгляд направляют на шкалу прямо. Прибор нельзя перегружать: чрезмерное растяжение может повредить пружину и нарушить точность.

Как пользоваться динамометром

Пользуйся таблицей по порядку: сначала проверь прибор и шкалу, затем приложи силу и сними показание. Если результат выглядит неожиданным, повторно проверь ноль и расчёт цены деления. Записывай число вместе с единицей измерения.

Разбор задач

Задача 1. На шкале динамометра отметки 0 Н и 2 Н разделены на четыре равных промежутка. Определите цену деления. Нужно выяснить, какая часть общего изменения от 0 Н до 2 Н приходится на один промежуток. Для этого разность значений отметок делят на число промежутков.

1. Находим разность: 2 Н − 0 Н = 2 Н.
2. Делим её на четыре промежутка: 2 Н : 4 = 0,5 Н.

Ответ: цена деления равна 0,5 Н. Проверка: четыре деления по 0,5 Н дают в сумме 2 Н.

Задача 2. Указатель остановился на третьем делении после отметки 2 Н. Цена деления равна 0,5 Н. Какова измеренная сила? Каждое из трёх делений добавляет к отметке 2 Н ещё по 0,5 Н. Значит, нужно прибавить к исходному значению произведение числа делений на цену одного деления.

1. Находим добавку: 3 · 0,5 Н = 1,5 Н.
2. Прибавляем её к отметке: 2 Н + 1,5 Н = 3,5 Н.

Ответ: измеренная сила равна 3,5 Н. Здесь считается число промежутков от отметки 2 Н, а не от края шкалы.

Задача 3. При действии силы 1 Н пружина удлиняется на 2 см. Какова сила, если удлинение составило 6 см? Считаем, что пружина остаётся в пределах упругой деформации, поэтому сила и удлинение пропорциональны. Сначала узнаем, во сколько раз удлинение стало больше, затем во столько же раз увеличим силу.

1. Сравниваем удлинения: 6 см : 2 см = 3.
2. Умножаем силу на этот коэффициент: 1 Н · 3 = 3 Н.

Ответ: сила равна 3 Н. Такой вывод справедлив только пока пружина сохраняет упругость и возвращается к исходной длине после снятия нагрузки.

Типичные ошибки

Отсчитывать от края шкалы, а не от нуля. Так делают, если принимают начало шкалы за исходную точку, хотя оно может не совпадать с нулевой отметкой. Тогда указатель сопоставляют не с тем значением. Проверь себя: найди нулевую отметку и отсчитывай от неё либо от ближайшей подписанной отметки.

Принимать число делений за значение силы. Деления показывают положение указателя, но одно деление не обязательно равно 1 Н. Ошибка возникает, когда забывают определить цену деления. Проверь себя: умножь число промежутков на цену деления и прибавь результат к исходной отметке.

Записывать показание без единицы измерения. Одно число не сообщает, в каких единицах измерена сила. Такое часто случается, когда записывают только результат вычисления. Проверь запись: после значения должно стоять Н, например 3 Н.

Растягивать пружину за пределы шкалы. Можно решить, что сильнее приложенная сила просто даст более точное показание, но указатель уже не сможет показать его на шкале. Перегрузка способна повредить пружину и испортить прибор. Проверь предел шкалы заранее и прекрати увеличивать силу, если он достигнут.

Связь с другими темами

Для измерения силы нужно понимать, что сила характеризует действие одного тела на другое, а её единица — ньютон. Это помогает связать показание прибора с физическим взаимодействием, а не только с движением указателя. Численное значение силы всегда записывают вместе с единицей.

Навык работы с динамометром пригодится при изучении силы тяжести, силы трения и силы упругости. Эти силы можно сравнивать и измерять одним прибором, если правильно выбрать способ приложения силы. Тогда показания помогают проверять наблюдения и решать задачи.

Что запомнить

• Силу измеряют динамометром.
• Единица силы — ньютон, обозначение Н.
• Показание динамометра определяют по положению указателя на шкале.
• Перед измерением проверяют нулевое положение указателя.
• Чтобы определить цену деления, разность значений отметок делят на число промежутков между ними.
• Пружину динамометра нельзя растягивать сверх допустимого предела.