Динамометр — измерение силы¶

Динамометр — это измерительный прибор (силомер), предназначенный для определения величины силы, преимущественно механического воздействия: растяжения, сжатия, кручения или веса. Принцип работы большинства динамометров основан на законе Гука: деформация упругого элемента (пружины) пропорциональна приложенной к нему силе. Шкала прибора градуируется в ньютонах (Н) или производных единицах — килограмм-силе (кгс), килограммах, дециньтонах (даН) и других.

¶Принцип действия

В классическом пружинном динамометре сила передаётся на упругий элемент — пружину, тросик или пластину. При приложении нагрузки элемент деформируется, а стрелка, связанная с ним, отклоняется на угол, пропорциональный величине силы. Линейность шкалы обеспечивается подбором характеристик пружины. Для расширения диапазона измерений применяют сменные пружины или гири-нагрузки.

В электронных (тензометрических) динамометрах деформация упругого элемента преобразуется в электрический сигнал с помощью тензодатчиков — сопротивлений, наклеенных на рабочую поверхность. Сигнал усиливается и отображается на цифровом индикаторе. Такие приборы обеспечивают более высокую точность, возможность регистрации данных и измерения динамических (быстроменяющихся) сил.

¶Классификация

По типу измеряемой величины динамометры делятся на:

• Пружинные — простейшие приборы с механической шкалой, применяются в учебных целях, быту и лёгкой промышленности.
• Тензометрические — электронные приборы с тензодатчиками, используются в машиностроении, испытательных лабораториях, весоизмерительных системах.
• Пьезоэлектрические — основаны на пьезоэффекте: под действием силы кристалл кварца или пьезокерамики генерирует электрический заряд. Применяются для измерения быстродействующих импульсных сил (удары, взрывы, вибрации).
• Ёмкостные и индуктивные — используют изменение электрической ёмкости или индуктивности при деформации.

По характеру измеряемой силы различают:

• Тяговые — измеряют силу растяжения.
• Сжимающие — определяют силу сжатия.
• Крутильные — измеряют момент силы (крутящий момент), например при затяжке резьбовых соединений.
• Разрывные — испытательные машины, определяющие предел прочности материалов при растяжении.

¶Конструкция и устройство

Устройство пружинного динамометра включает корпус, упругий элемент, измерительную шкалу, стрелку и фиксатор максимального показания (стрелку-указатель). Корпус обычно выполнен в виде цилиндра или плоской пластины с крюками или захватами на концах. Шкала наносится на корпус или на прозрачную вставку. Диапазон измерений бытовых пружинных динамометров — от 0,1 Н до нескольких килоньютонов.

Электронный тензометрический динамометр состоит из упругого элемента (балки, мембраны, кольца) с наклеенными тензодатчиками, соединённых в измерительный мост, усилителя сигнала, аналого-цифрового преобразователя и цифрового индикатора. Погрешность таких приборов составляет 0,01—0,5 % от верхнего предела измерений в зависимости от класса точности.

¶Применение

Динамометры используются в самых разных областях:

• Метрология и испытательные лаборатории — калибровка средств измерений, испытание материалов на прочность.
• Машиностроение — контроль усилий при сборке, затяжка резьбовых соединений крутильными динамометрами.
• Промышленность — весоизмерительные тензометрические датчики в силосах, бункерах, весах, тензометрические платформы.
• Сельское хозяйство — измерение тягового усилия тракторов.
• Медицина и спорт — измерение силы сжатия кисти, мышечной силы, нагрузок при реабилитации.
• Наука и образование — школьные и лабораторные эксперименты по механике.

¶Единицы измерения

В Международной системе единиц (СИ) сила измеряется в ньютонах (Н). 1 Н — это сила, придающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². Внесистемная единица — килограмм-сила (кгс) — сила, равная весу тела массой 1 кг; 1 кгс ≈ 9,80665 Н. В промышленности также применяют дециньютон (даН = 10 Н) и килоньютон (кН = 1000 Н). При измерении крутящего момента используются ньютон-метр (Н·м) и килограмм-метр (кгс·м).

¶Точность и поверка

Точность динамометра зависит от класса точности, температуры окружающей среды, направления приложения силы и состояния упругого элемента. В России средства измерений, применяемые в сфере государственного регулирования, подлежат первичной и периодической поверке в соответствии с ФЗ «Об обеспечении единства измерений». Поверочные работы выполняются с помощью эталонных динамометров и установок, имеющих более высокий класс точности.

¶Интересные факты

Первые пружинные динамометры были созданы в XVII веке; их развитие связано с работами Роберта Гука, сформулировавшего в 1678 году закон упругости. В 1821 году английский инженер Ричард Салтер запатентовал пружинные весы, ставшие прообразом современных пружинных динамометров. В XX веке широкое распространение получили тензометрические датчики, разработанные на основе работ Эдварда Симонса (1930-е годы), что позволило создать электронные весы и испытательные машины.

Источники:

• ГОСТ 8.401-80. Государственная система обеспечения единства измерений. Динамометры. Общие технические требования.
• ФЗ «Об обеспечении единства измерений» (№ 102-ФЗ от 26.06.2008).
• Справочник по физике / под ред. Ю. И. Данилова. — М.: Наука.
• Кремер Н. М., Одинцов Г. Н. Метрология. — М.: Издательство стандартов.