Механизм измерения силы на основе растяжения пружины.

Введение

Механизм измерения силы на основе деформации пружины

Пружинные динамометры, пружинные весы или ньютонометры – это тип механического измерителя силы или весов. Они состоят из пружины, закрепленной с одного конца и снабженной крюком для подвешивания объекта на другом. Принцип их работы основан на законе Гука, который утверждает, что сила, необходимая для растяжения или сжатия пружины на определенное расстояние, линейно пропорциональна этому расстоянию. Следовательно, деления на шкале пружинного динамометра расположены с равными интервалами. Пружинные динамометры могут быть откалиброваны для точного измерения массы в месте их использования, однако многие из них имеют маркировку на корпусе «Не предназначены для торговых операций» или аналогичную, из-за приближенного характера теории, используемой для нанесения шкалы. Кроме того, пружина в динамометре может необратимо деформироваться при многократном использовании. Пружинный динамометр будет показывать правильные значения только в системе отсчета, где ускорение вдоль оси пружины постоянно (например, на Земле, где ускорение обусловлено силой тяжести). Это можно продемонстрировать, взяв пружинный динамометр в лифт, где показания веса будут изменяться при движении лифта вверх и вниз с разной скоростью. Если два или более пружинных динамометра подвешены друг под другом последовательно, каждый из них будет показывать примерно одинаковый вес – полный вес тела, подвешенного на нижнем динамометре. Верхний динамометр будет показывать немного больший вес, так как он также поддерживает вес нижнего динамометра. Пружинные динамометры выпускаются различных размеров. Как правило, небольшие динамометры, измеряющие ньютоны, имеют менее жесткую пружину (с меньшей жесткостью), чем более крупные, измеряющие десятки, сотни или тысячи ньютонов, или даже больше, в зависимости от диапазона измерений. Наибольшие пружинные динамометры имели диапазон измерений от 5000 до 8000 ньютонов. На пружинном динамометре могут быть указаны как единицы измерения силы (фунты силы, ньютоны), так и единицы измерения массы (фунты, килограммы/граммы). Строго говоря, корректно указаны только значения силы. Чтобы сделать вывод о правильности указанных значений массы, объект должен быть подвешен к динамометру в состоянии покоя в инерциальной системе отсчета, взаимодействуя только с динамометром.

A spring scale, spring balance or newton meter is a type of mechanical force gauge or weighing scale. It consists of a spring fixed at one end with a hook to attach an object at the other. It works in accordance with Hooke's Law, which states that the force needed to extend or compress a spring by some distance scales linearly with respect to that distance. Therefore, the scale markings on the spring balance are equally spaced. A spring balance can be calibrated for the accurate measurement of mass in the location in which they are used, but many spring balances are marked right on their face "Not Legal for Trade" or words of similar import due to the approximate nature of the theory used to mark the scale. Also, the spring in the scale can permanently stretch with repeated use. A spring scale will only read correctly in a frame of reference where the acceleration in the spring axis is constant (such as on earth, where the acceleration is due to gravity). This can be shown by taking a spring scale into an elevator, where the weight measured will change as the elevator moves up and down changing velocities. If two or more spring balances are hung one below the other in series, each of the scales will read approximately the same, the full weight of the body hung on the lower scale. The scale on top would read slightly heavier due to also supporting the weight of the lower scale itself. Spring balances come in different sizes. Generally, small scales that measure newtons will have a less firm spring (one with a smaller spring constant) than larger ones that measure tens, hundreds or thousands of newtons or even more depending on the scale of newtons used. The largest spring scale ranged in measurement from 5000 to 8000 newtons. A spring balance may be labeled in both units of force (poundals, Newtons) and mass (pounds, kilograms/grams). Strictly speaking, only the force values are correctly labeled. In order to infer that the labeled mass values are correct, an object must be hung from the spring balance at rest in an inertial reference frame, interacting with no other objects but the scale itself.

Применение

Основным применением пружинных весов является взвешивание тяжелых грузов, таких как грузовики, складские силосы и материалы, перевозимые на конвейерной ленте. Они также часто используются в образовательных целях при изучении основ динамики. Они применяются в тех случаях, когда точность, обеспечиваемая другими типами весов, может быть принесена в жертву ради простоты, низкой стоимости и надежности. Пружинные весы измеряют вес объекта, уравновешивая силу гравитации силой растянутой пружины.

История

Первый пружинный динамометр в Британии был изготовлен около 1770 года Ричардом Солтером из Бильстона, недалеко от Вулвергемптона. Он и его племянники Джон и Джордж основали фирму George Salter & Co., которая и по сей день является известным производителем весов и балансов, и в 1838 году запатентовала пружинный динамометр. Они также применили тот же принцип работы пружинного динамометра к предохранительным клапанам паровозов, заменив ими более ранние клапаны с грузом.