2. Измерение сил

Определения и обозначения

Динамометр — прибор для измерения силы, действие которого основано на деформации пружины. Когда к пружине прикладывают силу, она растягивается или сжимается, а связанный с ней указатель перемещается. По шкале прибора можно определить, какой силе соответствует это перемещение. Динамометр помогает измерить силу, а не просто заметить, что она действует.

Ньютон — единица измерения силы, обозначаемая буквой Н. Поэтому показание прибора записывают, например, как 3 Н, а не просто как 3. Единица нужна, чтобы было ясно, какую физическую величину измерили и в каких единицах выражен результат. Значения, записанные в разных единицах, нельзя сравнивать, не учитывая эти единицы.

Градуировка динамометра — нанесение на шкалу значений силы по известным нагрузкам. Сначала прибору сообщают известную силу, например подвешивают груз, затем отмечают положение указателя. Повторяя это для разных нагрузок, получают шкалу с числовыми отметками. Градуировка позволяет использовать перемещение указателя для измерения силы, значение которой заранее неизвестно.

Цена деления шкалы — значение силы, соответствующее одному делению шкалы прибора. Она показывает, на сколько ньютонов меняется показание при переходе указателя на соседнее деление. Если цена деления известна, можно определить силу и тогда, когда указатель остановился между подписанными отметками. Поэтому её нужно выяснить до отсчёта результата.

Как это устроено

Силу можно заметить по тому, как она изменяет движение тела или его форму. Для измерения используют именно изменение формы: например, приложенная сила растягивает пружину. При одинаковых условиях более сильное воздействие вызывает большее растяжение, поэтому его можно сопоставить с числом. Так деформация становится видимым признаком силы, который можно измерить с помощью шкалы.

В пружинном динамометре есть пружина, корпус со шкалой и указатель, соединённый с пружиной. К пружине прикладывают силу через крючок или другой крепёж, предусмотренный прибором. Растягиваясь, пружина тянет указатель вдоль шкалы, и тот останавливается напротив отметки. Чем сильнее растяжение, тем дальше указатель уходит от начального положения, а цифры на шкале помогают оценить силу.

Чтобы указать на шкале силу, прибор градуируют с помощью нагрузок, для которых силу можно определить заранее. Например, подвешивают груз, сила тяжести которого известна, и отмечают положение указателя. Затем используют другие известные нагрузки и наносят соответствующие значения. Так шкала связывает растяжение пружины с силой, а не только с длиной растяжения; готовый динамометр уже показывает силу в ньютонах.

Результат измерения записывают числом и единицей, потому что одно число не сообщает, какую величину измерили и в чём её выразили. Чтобы получить это число, смотрят на шкалу и находят отметку, напротив которой остановился указатель. Если он не совпал с подписанной цифрой, учитывают промежуточные деления и цену каждого из них. Считывают значение на уровне указателя: взгляд сверху или снизу может создать ошибку отсчёта.

Динамометр закрепляют так, чтобы он не смещался, а сила действовала вдоль его оси. Тогда пружина растягивается в предусмотренном направлении, и её указатель показывает нужную силу. Если тянуть под углом или держать прибор неустойчиво, часть воздействия может приходиться не вдоль оси, а измерение станет ненадёжным. Нельзя также превышать предел измерения: слишком большая нагрузка способна испортить пружину и нарушить работу шкалы.

Основные сведения об измерении силы

Сначала проверьте единицу, предел измерения и цену деления: от них зависит, можно ли проводить измерение и как читать шкалу. Затем установите прибор и тело правильно, приложите силу вдоль оси и снимите показание. В таблице собраны основные проверки, которые помогают записать результат без ошибки.

Разбор задач

Показание по подписанной отметке

При подвешивании груза указатель остановился напротив отметки 3 Н. Нужно определить силу, действующую на груз. Поскольку показание уже дано по шкале в ньютонах, дополнительных вычислений не требуется. Важно сохранить единицу при записи ответа.

1. Смотрим, напротив какой отметки остановился указатель: это 3 Н.
2. Показание пружинного динамометра соответствует силе, действующей на него со стороны груза.
3. Записываем результат числом вместе с единицей измерения.

Ответ: сила, действующая на груз, равна 3 Н.

Цена деления и промежуточное показание

Между отметками 2 Н и 4 Н расположено 10 одинаковых делений, а указатель остановился на третьем делении после 2 Н. Сначала найдём, какая сила приходится на одно деление, затем прибавим три таких значения к 2 Н. Считаем промежутки, а не только отметки: именно число промежутков показывает, на сколько частей разделена разность значений.

1. Вычисляем разность между подписанными значениями: 4 Н − 2 Н = 2 Н.
2. Делим разность на число делений: 2 Н : 10 = 0,2 Н. Это цена деления.
3. Находим три деления: 3 · 0,2 Н = 0,6 Н.
4. Прибавляем результат к начальной отметке: 2 Н + 0,6 Н = 2,6 Н.

Ответ: цена деления равна 0,2 Н, измеренная сила — 2,6 Н.

Равномерное движение и дополнительная сила

Брусок равномерно тянут по горизонтальной поверхности, и динамометр показывает 1,6 Н. При равномерном движении скорость не меняется, значит, горизонтальные силы уравновешены: сила тяги равна силе трения. Затем добавляют ещё одну горизонтальную силу 0,4 Н в том же направлении. Чтобы движение осталось равномерным, сила тяги должна уравновесить возросшее суммарное воздействие.

1. Записываем начальное условие: сила тяги 1,6 Н уравновешивает трение.
2. Добавленная сила направлена так же, как тяга, поэтому требуемая сила тяги увеличивается на 0,4 Н.
3. Складываем силы: 1,6 Н + 0,4 Н = 2,0 Н.

Ответ: при сохранении равномерного движения сила тяги станет равна 2 Н.

Типичные ошибки

Записывают число без единицы. Так делают, когда считают, что цифры с прибора достаточно, но без единицы непонятно, выражена ли сила в ньютонах. Запишите показание, например, как 3 Н. Проверьте себя: возле каждого числового результата измерения силы есть обозначение Н.

Путают число делений с ценой деления. Видя десять промежутков, можно ошибочно принять, что цена деления равна десяти, хотя это только количество частей шкалы. Чтобы получить цену, нужно разделить разность соседних подписанных значений на число промежутков между ними. Для проверки умножьте полученную цену на число промежутков: должна получиться исходная разность.

Считывают показание под углом или не на уровне указателя. Из-за такого положения глаза указатель может казаться напротив другой отметки, чем на самом деле. Смотреть следует прямо на шкалу, на уровне указателя, а не сверху или снизу. Проверьте отсчёт, переместив взгляд так, чтобы он оказался напротив конца указателя.

Превышают предел измерения или резко растягивают пружину. Иногда нагрузку увеличивают, не проверив максимальное значение шкалы, или прикладывают силу рывком. Это может деформировать пружину и привести к неверным показаниям. Перед измерением найдите предел прибора и прикладывайте нагрузку плавно; убедитесь, что указатель не выходит за шкалу.

Связь с другими темами

Для измерения силы нужно понимать, что сила характеризует взаимодействие тел, и уметь читать шкалы измерительных приборов. Для этого также необходимо различать физическую величину и её единицу: сила измеряется в ньютонах. Умение работать с динамометром пригодится при изучении силы тяжести и веса тел. Позже оно поможет разбирать трение, равновесие и взаимодействие тел, сравнивая силы по показаниям прибора.

Что запомнить

• Силу измеряют динамометром.
• Работа пружинного динамометра основана на деформации пружины.
• Единица силы — ньютон, обозначение — Н.
• Перед измерением определяют цену деления и предел измерения прибора.
• Показание считывают по положению указателя на шкале.
• Силу прикладывают вдоль оси динамометра и не превышают его предел измерения.