Виготовляємо динамометр своїми руками

Вага вимірюється вагами, відстань лінійкою, тиску – манометром і т. д. А придуманий прилад, що вимірює силу? Такий інструмент, звичайно ж, є. Називається він динамометр. Своїми руками в домашніх умовах, до речі кажучи, нескладно виготовити простенький, але цілком працездатний прилад для вимірювання сили, свій власний ексклюзивний динамометр.

Маса, сила, вага

У розмовах ми часто плутаємо такі поняття, як маса і вага. В чому між ними різниця? Маленький приклад. У нас є гімнастична гиря масою 32 кг. Саме стільки покажуть наші побутові ваги, варто нам це залізне виріб на них поставити. Перемістимося подумки на поверхню Місяця. Показання ваг, які ми захопимо з собою, зміняться і будуть всього лише 5 кг 120 р. А ось на найбільшій планеті нашої системи, Юпітер, з великою силою тяжіння, ваги покажуть всі 845 кг. Змінилася маса гирі? Немає.


Як таке може бути? Помістимо гирю у відкритий космос, де в стані невагомості ваги покажуть і зовсім нуль. Маса пропала? Щоб переконатися, що це не так, варто розігнати наш гімнастичний снаряд до пристойної швидкості і направити на ту чи іншу мішень. Якщо той же експеримент повторити на Місяці, Землі, Юпітері, за умови, що швидкість у момент зіткнення з перешкодою буде однакова, будуть ідентичними і руйнування. Маса гирі у всіх прикладах залишається 32 кг. А що змінюється? Сила, з якою гиря тисне на майданчик ваг. І вимірювати її, цю силу, звану «вагу», правильно не в кілограмах, а в ньютонах.


Сила в один ньютон дорівнює вазі вантажу в 102 грами, що знаходиться на поверхні планети Земля. Отже, виготовивши динамометр своїми руками, ми отримаємо можливість вимірювати таку надзвичайну фізичну величину, як сила.

Загальний принцип пристрою динамометрів

Для вимірювання сили рідко використовують земне тяжіння. Це не тільки незручно (вантаж або противагу можуть працювати тільки вертикально), але і не зовсім точно. Справа в тому, що наша Земля – не зовсім куля. Це еліпсоїд, злегка сплюснутий з полюсів. Тому відстань на екваторі до центру планети більше, ніж на полюсі, до того ж, на екваторі на будь-яке тіло діє відцентрова сила, злегка зменшує його вагу, тому щоб гарантовано схуднути (правда ненабагато, на 05% всього) треба просто поїхати з полюса на екватор. Тому для того, щоб виміряти силу, найчастіше застосовують прилади на пружних елементах. А силу іноді необхідно виміряти просто величезну, наприклад, тягу двигуна космічної ракети носія. Можна тільки уявити, яким повинен бути такий динамометр. Своїми руками такий навряд чи виготовиш. Але принцип роботи у всіх «силомеров» один і той же: сила деформує пружний елемент, прилад фіксує величину цієї деформації.

Стандартний динамометр

В лабораторних роботах шкільних уроків фізики для вимірювання сили використовувався простий пружинний прилад. Розглянемо, як зробити динамометр своїми руками не гірше шкільного. Основа, на якій збирається весь пристрій, – звичайна дощечка з дерева або смужка полікарбонату, пластику, жерсті, варіантів безліч. На дощечці розташована пружина, один кінець якої жорстко закріплений, інший пов'язаний з тілом, через яке передається зусилля. Як правило, це сталевий гачок. Ступінь розтягування пружини пропорційна прикладываемому зусиллю. Величина деформації відображається на шкалі, яка наноситься в ньютонах. Ось так працює динамометр. Своїми руками в домашніх умовах не обов'язково виготовляти його з пружини, чудово буде працювати будь-пружний матеріал, наприклад, гумка.

Тарування

Для того, щоб силомір працював, його необхідно градуювати. Для цього можна скористатися силою тяжіння. Відомо, що зусилля в один ньютон відповідає вага 102 грам. Таріруется динамометр своїми руками в наступній послідовності:

динамометр розташовується вертикально;

поки пружина не навантажена, положення покажчика відповідає позначці 0;

динамометр навантажується вантажем масою 102 грами, виходить відмітка 1 ньютон;

маса вантажу в 204 грами дасть положення мітки в 2 ньютона і т. д.

Як бачимо, налаштувати динамометр своїми руками нескладно.

Різні конструкції «домашніх» динамометрів

Необхідно визначитися з навантаженням, яку належить вимірювати. І розрахунок краще зробити перед тим, як зробити динамометр. Своїми руками можна виготовити як потужний прилад, так і невеликий, але більш чутливий. А варіантів конструкції чимало. Наприклад, нескладно виготовити динамометр своїми руками з гумки. Він нічим не відрізняється від класичного «шкільного». Різниця лише в тому, що замість пружини використовується більш доступна гумка, наприклад, від донної вудки або авіамодельна. Трохи фантазії, і в прилад для вимірювання сили перетворюється звичайний одноразовий шприц. Пристрій показано на малюнку, єдине, на що слід звернути увагу, так це поршень шприца, який необхідно обточити по колу (або зрізати гострим ножем так, щоб він рухався всередині корпусу шприца без зусилля. При бажанні можна виготовити динамометр своїми руками з ручки, звичайної кулькової ручки з пружинкою. Стрижень треба очистити від чорнила, сточити вістрі пишучої кульки і вставити всередину звичайну канцелярську скріпку.

Динамометр на п'єзоелемент

Динамометри заводського виготовлення останнім часом найчастіше виготовляють з використанням п'єзоелементів. П'єзоелемент – кристал, на кінцях якого при механічному стисненні з'являється різниця потенціалів (напруга). Причому величина цієї різниці потенціалів залежить від ступеня стиснення. Силоміри такого типу відрізняються відсутністю ходу штока (на чутливий елемент необхідно просто натиснути), надзвичайною точністю і величезним діапазоном вимірювань. На п'єзоелемент робляться як чутливі прилади для точного вимірювання невеликих зусиль, так і динамометри, за допомогою яких вимірюють тягові зусилля тракторів.