Το βάρος μετριέται με ζυγαριά, η απόσταση με χάρακα, η πίεση με μανόμετρο κλπ. Έχει εφευρεθεί συσκευή που μετρά τη δύναμη; Ένα τέτοιο εργαλείο σίγουρα υπάρχει. Λέγεται δυναμόμετρο. Με τα χέρια σας στο σπίτι, παρεμπιπτόντως, είναι εύκολο να φτιάξετε μια απλή αλλά αρκετά αποτελεσματική συσκευή μέτρησης δύναμης, το δικό σας αποκλειστικό δυναμόμετρο.
Μάζα, δύναμη, βάρος
Στις συζητήσεις, συχνά συγχέουμε έννοιες όπως η μάζα και το βάρος. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ τους; Μικρό παράδειγμα. Έχουμε ένα γυμναστικό kettlebell βάρους 32 κιλών. Αυτό θα δείξει η οικιακή μας ζυγαριά, αν τους βάλουμε αυτό το προϊόν σιδήρου. Ας κινηθούμε νοερά στην επιφάνεια του φεγγαριού. Οι ενδείξεις της ζυγαριάς που θα πάρουμε μαζί μας θα αλλάξουν και θα είναι μόνο 5 κιλά 120 γρ. Όμως στον μεγαλύτερο πλανήτη του συστήματός μας, τον Δία, με τη μεγαλύτερη βαρύτητα, η ζυγαριά θα δείχνει και τα 84,5 κιλά. Έχει αλλάξει η μάζα του kettlebell; Όχι.
Πώς μπορεί να είναι αυτό; Ας τοποθετήσουμε ένα βάρος στο διάστημα, όπου σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας η ζυγαριά θα δείχνει καθόλου μηδέν. Έχει φύγει το βάρος; Για να βεβαιωθούμε ότι δεν συμβαίνει αυτό, αξίζει να διασκορπίσουμε τη γυμναστική μας συσκευή σε μια αξιοπρεπή ταχύτητα και να την κατευθύνουμε σε έναν ή τον άλλο στόχο. Αν επαναληφθεί το ίδιο πείραμα σε Σελήνη, Γη, Δία, με την προϋπόθεση ότι η ταχύτητατη στιγμή της σύγκρουσης με ένα εμπόδιο θα είναι η ίδια, η καταστροφή θα είναι ίδια.
Η μάζα του kettlebell σε όλα τα παραδείγματα παραμένει 32 κιλά. Τι αλλάζει; Η δύναμη με την οποία το βάρος πιέζει την πλατφόρμα της ζυγαριάς. Και για να το μετρήσουμε, αυτή η δύναμη, που ονομάζεται «βάρος», είναι σωστή όχι σε κιλά, αλλά σε νιούτον.
Μια δύναμη ενός Newton ισούται με το βάρος ενός φορτίου 102 γραμμαρίων στην επιφάνεια του πλανήτη Γη.
Έχοντας φτιάξει λοιπόν ένα δυναμόμετρο με τα χέρια μας, θα μπορούμε να μετρήσουμε ένα τόσο σημαντικό φυσικό μέγεθος όπως η δύναμη.
Γενική αρχή σχεδιασμού δυναμομέτρου
Η βαρύτητα χρησιμοποιείται σπάνια για τη μέτρηση της δύναμης. Αυτό δεν είναι μόνο άβολο (ένα βάρος ή αντίβαρο μπορεί να λειτουργήσει μόνο κάθετα), αλλά δεν είναι και απολύτως ακριβές. Το γεγονός είναι ότι η Γη μας δεν είναι εντελώς σφαίρα. Είναι ένα ελλειψοειδές, ελαφρώς πεπλατυσμένο στους πόλους. Επομένως, η απόσταση στον ισημερινό από το κέντρο του πλανήτη είναι μεγαλύτερη από ό,τι στον πόλο, επιπλέον, στον ισημερινό, οποιοδήποτε σώμα επηρεάζεται από φυγόκεντρη δύναμη, η οποία μειώνει ελαφρώς το βάρος του, έτσι ώστε να είναι εγγυημένη η απώλεια βάρους (αν και όχι πολύ, μόνο κατά 0,5%), πρέπει απλώς να πάτε από τον πόλο στον ισημερινό.
Επομένως, για τη μέτρηση της δύναμης, χρησιμοποιούνται συχνότερα συσκευές σε ελαστικά στοιχεία. Και μερικές φορές είναι απαραίτητο να μετρηθεί μια δύναμη που είναι απλά τεράστια, για παράδειγμα, η ώθηση του κινητήρα ενός πυραύλου διαστημικού φορέα. Μπορεί κανείς μόνο να φανταστεί πώς θα έπρεπε να είναι ένα τέτοιο δυναμόμετρο.
Δύσκολα μπορείς να φτιάξεις ένα με τα χέρια σου. Αλλά η αρχή λειτουργίας για όλους τους "μετρητές ισχύος" είναι η ίδια: η δύναμηπαραμορφώνει το ελαστικό στοιχείο, η συσκευή διορθώνει την τιμή αυτής της παραμόρφωσης.
Τυπικό δυναμόμετρο
Στις εργαστηριακές εργασίες των μαθημάτων της σχολικής φυσικής χρησιμοποιήθηκε μια απλή συσκευή ελατηρίου για τη μέτρηση της δύναμης. Σκεφτείτε πώς να φτιάξετε ένα δυναμόμετρο με τα χέρια σας όχι χειρότερο από ένα σχολικό.
Η βάση στην οποία συναρμολογείται ολόκληρη η συσκευή είναι μια συνηθισμένη σανίδα από ξύλο ή μια λωρίδα από πολυανθρακικό, πλαστικό, κασσίτερο, υπάρχουν πολλές επιλογές. Υπάρχει ένα ελατήριο στην πλάκα, το ένα άκρο του οποίου είναι σταθερά στερεωμένο, το άλλο συνδέεται με το σώμα μέσω του οποίου μεταδίδεται η δύναμη. Κατά κανόνα, αυτό είναι ένα γάντζο από χάλυβα. Ο βαθμός τάνυσης του ελατηρίου είναι ανάλογος της ασκούμενης δύναμης. Το μέγεθος της παραμόρφωσης αντανακλάται στην κλίμακα, η οποία εφαρμόζεται σε Newton. Έτσι λειτουργεί ένα δυναμόμετρο. Με τα χέρια σας στο σπίτι, δεν είναι απαραίτητο να το φτιάξετε από ελατήριο, οποιοδήποτε ελαστικό υλικό, για παράδειγμα, μια ελαστική ταινία, θα λειτουργήσει μια χαρά.
Βαθμονόμηση
Για να λειτουργήσει ο μετρητής δύναμης, πρέπει να βαθμονομηθεί. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη βαρύτητα για να το κάνετε αυτό. Είναι γνωστό ότι μια δύναμη ενός Newton αντιστοιχεί σε βάρος 102 γραμμαρίων. Το δυναμόμετρο βαθμονομείται με τα χέρια σας με την ακόλουθη σειρά:
- δυναμόμετρο είναι κάθετο;
- ενώ το ελατήριο δεν είναι φορτωμένο, η θέση του δείκτη αντιστοιχεί σε 0;
- Το δυναμόμετρο έχει βάρος 102 γραμμάρια, η ένδειξη είναι 1 newton;
- ένα βάρος 204 γραμμαρίων θα δώσει μια θέση σήμανσης 2 newton, κ.λπ.
Όπως μπορείτε να δείτε, ρυθμίστεΤο δυναμόμετρο DIY είναι εύκολο.
Διαφορετικά σχέδια δυναμομέτρων "οικίας"
Είναι απαραίτητο να αποφασίσετε για το φορτίο που θα μετρήσετε. Και είναι καλύτερο να κάνετε έναν υπολογισμό πριν κάνετε ένα δυναμόμετρο. Με τα χέρια σας, μπορείτε να φτιάξετε τόσο μια ισχυρή συσκευή όσο και μια μικρή, αλλά πιο ευαίσθητη. Και υπάρχουν πολλές επιλογές σχεδίασης.
Για παράδειγμα, είναι εύκολο να φτιάξετε ένα δυναμόμετρο με τα χέρια σας από καουτσούκ. Δεν διαφέρει από την κλασική «σχολή». Η μόνη διαφορά είναι ότι αντί για ελατήριο, χρησιμοποιείται μια πιο προσιτή ελαστική ταινία, για παράδειγμα, από καλάμι βυθού ή μοντέλο αεροσκάφους.
Με λίγη φαντασία, μια συνηθισμένη σύριγγα μιας χρήσης μετατρέπεται σε συσκευή μέτρησης αντοχής. Η συσκευή φαίνεται στο σχήμα, το μόνο πράγμα στο οποίο πρέπει να εστιάσετε είναι το έμβολο της σύριγγας, το οποίο πρέπει να γυρίσετε (ή να το κόψετε με ένα κοφτερό μαχαίρι) έτσι ώστε να κινείται μέσα στο σώμα της σύριγγας χωρίς προσπάθεια.
Αν θέλετε, μπορείτε να φτιάξετε ένα δυναμόμετρο με τα χέρια σας από ένα στυλό, ένα συνηθισμένο στυλό με ένα ελατήριο.
Η ράβδος πρέπει να καθαριστεί από μελάνι, να τρίψετε την άκρη της σφαίρας γραφής και να τοποθετήσετε μέσα έναν συνηθισμένο συνδετήρα.
Δυναμόμετρο σε πιεζοηλεκτρικά στοιχεία
Τα προκατασκευασμένα δυναμόμετρα τα τελευταία χρόνια κατασκευάζονται συχνότερα με χρήση πιεζοηλεκτρικών στοιχείων. Πιεζοηλεκτρικό στοιχείο - κρύσταλλο, στα άκραη οποία κατά τη μηχανική συμπίεση εμφανίζεται διαφορά δυναμικού (τάση). Επιπλέον, το μέγεθος αυτής της διαφοράς δυναμικού εξαρτάται από το βαθμό συμπίεσης.
Τα δυναμόμετρα αυτού του τύπου διακρίνονται από την απουσία διαδρομής ράβδου (απλώς πρέπει να πατήσετε το ευαίσθητο στοιχείο), εξαιρετική ακρίβεια και τεράστιο εύρος μέτρησης. Τα πιεζοστοιχεία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τόσο ευαίσθητων συσκευών για την ακριβή μέτρηση μικρών δυνάμεων όσο και δυναμόμετρων που μετρούν τις ελκτικές δυνάμεις των τρακτέρ.
