§ 30. Динамометр

измерительный прибор, предназначенный для количественного определения модуля силы или момента сил (от греч. dynamis — сила и metreo — измеряю).

• 1. Основной чувствительный элемент — в механических приборах рабочей частью служит стальная спиральная пружина заданной жёсткости или упругая пластина, деформация которой пропорциональна приложенной нагрузке.
• 2. Единица измерения — шкала любого физического динамометра проградуирована в ньютонах ($\text{Н}$) либо в дольных/кратных единицах (миллиньютоны, килоньютоны).

физический механизм измерения, основанный на сравнении измеряемой внешней силы с силой упругости калиброванного упругого элемента прибора.

• 1. Уравновешивание сил — при подвешивании груза или натяжении крюка пружина растягивается до тех пор, пока возникающая в ней сила упругости $\vec{F}_{\text{упр}}$ не уравновесит внешнюю силу (например, силу тяжести груза $\vec{F}_{\text{тяж}}$):

$$F_{\text{изм}} = F_{\text{упр}} = k \cdot \Delta l$$

• 2. Прямая пропорциональность — согласно закону Гука, удлинение пружины $\Delta l$ строго прямо пропорционально растягивающей силе: увеличивая силу в 2, 3 или 4 раза, мы получаем во столько же раз большее удлинение, что позволяет наносить равномерную линейную шкалу.

процесс нанесения делений с числовыми значениями силы на шкалу прибора по известным эталонным воздействиям.

• 1. Определение нулевой отметки — ненагруженный динамометр закрепляют вертикально в штативе и отмечают нулевое положение стрелки-указателя ($0\ \text{Н}$).
• 2. Нанесение эталонных меток — подвешивая калиброванный груз массой $102\ \text{г}$ (сила тяжести $1\ \text{Н}$ при $g = 9{,}8\ \text{Н}/\text{кг}$) или груз $100\ \text{г}$ (при округлении $g \approx 10\ \text{Н}/\text{кг}$), отмечают уровень $1\ \text{Н}$. Затем последовательно добавляют второй, третий грузы, нанося риски $2\ \text{Н}$, $3\ \text{Н}$ и т. д.
• 3. Дробные деления — интервалы между целыми ньютонами делят на равные части (по 10 частей с ценой деления $0{,}1\ \text{Н}$).

классификация силоизмерительных приборов в зависимости от практической сферы применения:

• 1. Лабораторные (учебные) динамометры — трубчатые и планшетные пружинные приборы с пределом измерения от $1\ \text{Н}$ до $5\ \text{Н}$, применяемые для демонстрационных опытов и фронтальных лабораторных работ.
• 2. Бытовой динамометр (безмен) — ручные пружинные весы для быстрого взвешивания продуктов и багажа; для удобства потребителей шкала безмена проградуирована не в ньютонах, а непосредственно в единицах массы (килограммах).
• 3. Медицинский динамометр (силомер) — прибор для измерения мышечной силы человека и оценки тонуса мускулатуры; наиболее распространен ручной плоский кистевой динамометр, регистрирующий максимальное усилие сжатия пальцев руки в кулак (в деканьютонах или килограммах силы).
• 4. Тяговые динамометры — массивные промышленные силомеры высокой грузоподъемности (рассчитанные на десятки и сотни килоньютонов), предназначенные для измерения тяговых усилий локомотивов, карьерных тягачей, тракторов, буксирных судов и строительных лебедок.

типы конструкций преобразования механического воздействия:

• 1. Механические (пружинные) — сила преобразуется в линейное растяжение или сжатие спирали, передаваемое стрелке.
• 2. Гидравлические — давление передается через несжимаемую рабочую жидкость на манометрический чувствительный элемент.
• 3. Электронные (тензометрические) — усилие деформирует чувствительный полупроводниковый или металлический тензорезистор, изменяя его электрическое сопротивление, что преобразуется микропроцессором в цифровой сигнал и выводится на дисплей.

Измерить какую-либо силу — это значит количественно сравнить её со стандартной силой, принятой за единицу измерения (с силой в один ньютон, $1\ \text{Н}$).

Так как сила проявляет себя либо в сообщении телу ускорения, либо в возникновении деформации, на практике измерение силы сводится к фиксации величины деформации упругого элемента прибора, пропорциональной действующей нагрузке.

Силу измеряют специальным прибором, который называется динамометром (от греческих слов «динамис» — сила и «метрео» — измеряю).

Принцип действия простейшего (пружинного) динамометра основан на сравнении измеряемой силы с силой упругости деформируемой пружины:

• Механизм работы: когда к крючку динамометра прикладывают внешнюю силу (например, подвешивают груз), стальная пружина начинает растягиваться.
• Возникновение противодействующей силы: при удлинении пружины в ней возникает сила упругости $\vec{F}_{\text{упр}}$, направленная противоположно деформации.
• Состояние равновесия: в положении покоя внешняя сила полностью уравновешивается силой упругости ($F_{\text{внеш}} = F_{\text{упр}}$).
• Связь с законом Гука: согласно закону Гука, сила упругости прямо пропорциональна удлинению пружины:

$$F_{\text{упр}} = k \cdot \Delta l$$

Следовательно, по величине деформации пружины (по смещению стрелки вдоль шкалы) можно точно судить о величине действующей силы.

К числу наиболее известных и широко применяемых динамометров относятся:

• Школьный лабораторный динамометр — прибор со спиральной пружиной на металлической или пластиковой планшетке с крючком и шкалой до $4\text{--}5\ \text{Н}$, используемый на уроках физики для изучения трения, упругости и равновесия тел.
• Трубчатый пружинный динамометр — компактный закрытый цилиндрический прибор, в котором пружина и шкала защищены кожухом.
• Бытовой динамометр (безмен) — компактные пружинные весы с крючком для измерения веса и массы продуктов в быту и на рынках.
• Медицинский кистевой динамометр (силомер) — прибор со стальной кольцевой пружиной или датчиком для измерения мускульной силы сжатия руки человека при медицинских осмотрах и спортивных тренировках.
• Тяговый динамометр — тяжелый промышленный прибор для измерения силы тяги тракторов, железнодорожных тепловозов, электровозов, тягачей и морских буксиров.
• Электронный динамометр (тензометрический) — современный прибор с цифровым табло, использующий электронные тензодатчики, преобразующие механическую деформацию в электрический сигнал высокой точности.