Вес измеряется весами, расстояние – линейкой, давление – манометром и т. д. А придуман ли прибор, измеряющий силу? Такой инструмент, конечно же, имеется. Называется он динамометр. Своими руками в домашних условиях, кстати говоря, несложно изготовить простенький, но вполне работоспособный прибор для измерения силы, свой собственный эксклюзивный динамометр.
Масса, сила, вес
В разговорах мы часто путаем такие понятия, как масса и вес. В чём между ними разница? Маленький пример. У нас есть гимнастическая гиря массой 32 кг. Именно столько покажут наши бытовые весы, стоит нам это железное изделие на них поставить. Переместимся мысленно на поверхность Луны. Показания весов, которые мы захватим с собой, изменятся и будут всего лишь 5 кг 120 г. А вот на самой большой планете нашей системы, Юпитере, с самой большой силой тяжести, весы покажут все 84,5 кг. Изменилась масса гири? Нет.
Как такое может быть? Поместим гирю в открытый космос, где в состоянии невесомости весы покажут и вовсе ноль. Масса пропала? Чтобы убедиться, что это не так, стоит разогнать наш гимнастический снаряд до приличной скорости и направить на ту или иную мишень. Если тот же эксперимент повторить на Луне, Земле, Юпитере, при условии, что скорость в момент столкновения с препятствием будет одинакова, идентичными будут и разрушения.
Масса гири во всех примерах остаётся 32 кг. А что меняется? Сила, с которой гиря давит на площадку весов. И измерять её, эту силу, называемую «вес», правильно не в килограммах, а в ньютонах.
Сила в один ньютон равна весу груза в 102 грамма, находящегося на поверхности планеты Земля.
Итак, изготовив динамометр своими руками, мы получим возможность измерять такую важнейшую физическую величину, как сила.
Общий принцип устройства динамометров
Для измерения силы редко используют земное притяжение. Это не только неудобно (груз или противовес могут работать только вертикально), но и не совсем точно. Дело в том, что наша Земля – не совсем шар. Это эллипсоид, слегка сплюснутый с полюсов. Поэтому расстояние на экваторе до центра планеты больше, чем на полюсе, к тому же, на экваторе на любое тело действует центробежная сила, слегка уменьшающая его вес, поэтому чтобы гарантированно похудеть (правда ненамного, на 0,5% всего лишь) надо просто поехать с полюса на экватор.
Поэтому для того, чтобы измерить силу, чаще всего применяют приборы на упругих элементах. А силу иногда необходимо измерить просто громадную, например, тягу двигателя космической ракеты носителя. Можно только представить, каким должен быть такой динамометр.
Своими руками такой вряд ли изготовишь. Но принцип работы у всех «силомеров» один и тот же: сила деформирует упругий элемент, прибор фиксирует величину этой деформации.
Стандартный динамометр
В лабораторных работах школьных уроков физики для измерения силы использовался простой пружинный прибор. Рассмотрим, как сделать динамометр своими руками не хуже школьного.
Основа, на которой собирается всё устройство, – обычная дощечка из дерева или полоска поликарбоната, пластика, жести, вариантов множество. На дощечке расположена пружина, один конец которой жёстко закреплён, другой связан с телом, через которое передаётся усилие. Как правило, это стальной крючок. Степень растяжения пружины пропорциональна прикладываемому усилию. Величина деформации отражается на шкале, которая наносится в ньютонах. Вот так работает динамометр. Своими руками в домашних условиях не обязательно изготавливать его из пружины, прекрасно будет работать любой упругий материал, например, резинка.
Тарировка
Для того, чтобы силомер работал, его необходимо градуировать. Для этого можно воспользоваться силой тяжести. Известно, что усилию в один ньютон соответствует вес 102 граммов. Тарируется динамометр своими руками в следующей последовательности:
- динамометр располагается вертикально;
- пока пружина не нагружена, положение указателя соответствует отметке 0;
- динамометр нагружается грузом массой 102 грамма, получается отметка 1 ньютон;
- масса груза в 204 грамма даст положение метки в 2 ньютона и т. д.
Как видим, настроить динамометр своими руками несложно.
Разные конструкции «домашних» динамометров
Необходимо определиться с нагрузкой, которую предстоит измерять. И расчёт лучше произвести перед тем, как сделать динамометр. Своими руками можно изготовить как мощный прибор, так и небольшой, но более чувствительный. А вариантов конструкции немало.
Например, несложно изготовить динамометр своими руками из резинки. Он ничем не отличается от классического «школьного». Разница лишь в том, что вместо пружины используется более доступная резинка, например, от донной удочки или авиамодельная.
Немного фантазии, и в прибор для измерения силы превращается обычный одноразовый шприц. Устройство показано на рисунке, единственное, на чём следует заострить внимание, так это поршень шприца, который необходимо обточить по окружности (или срезать острым ножом) так, чтобы он двигался внутри корпуса шприца без усилия.
При желании можно изготовить динамометр своими руками из ручки, обычной шариковой ручки с пружинкой.
Стержень надо очистить от чернил, сточить острие пишущего шарика и вставить внутрь обычную канцелярскую скрепку.
Динамометр на пьезоэлементах
Динамометры заводского изготовления в последнее время чаще всего изготавливают с использованием пьезоэлементов. Пьезоэлемент – кристалл, на концах которого при механическом сжатии появляется разность потенциалов (напряжение). Причём величина этой разности потенциалов зависит от степени сжатия.
Силомеры такого типа отличаются отсутствием хода штока (на чувствительный элемент необходимо просто нажать), чрезвычайной точностью и огромным диапазоном измерений. На пьезоэлементах делаются как чувствительные приборы для точного измерения небольших усилий, так и динамометры, с помощью которых измеряют тяговые усилия тракторов.
