Динамометр. Что это, оборудование для измерения показателей силы, физической подготовленности

Сила:

При изучения природных явлений используют разные физические величины. Для того чтобы описать качественно и количественно взаимодействие тел, вводят физическую величину, которую называют силой.

Что такое динамометр?

Прибор определяет относительную мощность наличного или требуемого усилия для выполнения какого-либо физического действия.

Промышленные, медицинские и бытовые устройства различаются:

• габаритами;
• принципом работы;
• способом вычисления;
• типом шкалы;
• техническими параметрами и другими характеристиками.

Динамометр служит для измерения показателей силы человека, агрегата, машины и прочего. Конструкции и типы таких устройств варьируются в широком техническом диапазоне. В международной системе единиц сила измеряется в ньютонах. Динамометры в зависимости от собственного предназначения оснащаются разными шкалами. Некоторые приборы измеряют приложенное усилие в килограммах. Общепринятой европейской практикой считается определение силы в ньютонах.

Она отражает величину, необходимую для того, чтобы за 1 сек. изменить скорость продвижения твердого объекта массой 1 кг. Этот показатель рассчитывает вычислительное звено динамометра. В большинстве моделей бытового, индустриального и медицинского предназначения используются деканьютоны или килограммы, что необходимо для унификации получаемых значений. Ньютоны используют только в некоторых лабораторных и учебных динамометрах.

Векторные и скалярные величины

Векторная величина (например сила, приложенная к телу), помимо значения (модуля), характеризуется также направлением. Скалярная же величина (например, длина) характеризуется только значением. Все классические законы механики сформулированы для векторных величин.

Рисунок 1.

На рис. 1 изображены различные варианты расположения вектора ${ \large \overrightarrow{F}}$ и его проекции ${ \large F_x}$ и ${ \large F_y}$ на оси ${ \large X}$ и ${ \large Y}$ соответственно:

• A. величины ${ \large F_x}$ и ${ \large F_y}$ являются ненулевыми и положительными
• B. величины ${ \large F_x}$ и ${ \large F_y}$ являются ненулевыми, при этом ${\large F_y}$ — положительная величина, а ${\large F_x}$ — отрицательная, т.к. вектор ${\large \overrightarrow{F}}$ направлен в сторону, противоположную направлению оси ${\large X}$
• C. ${\large F_y}$ — положительная ненулевая величина, ${\large F_x}$ равна нулю, т.к. вектор ${\large \overrightarrow{F}}$ направлен перпендикулярно оси ${\large X}$

Предназначение

Компактные приборы и стационарное оборудование имеют разные сферы применения. Вне зависимости от технической модификации, габаритов и конструкции измерительного звена все подобные устройства предназначены для определения прилагаемого усилия.

В строительстве с помощью динамометра измеряют степень давления на удерживающий каркас:

• вертикально подвешенного груза;
• бетонных плит;
• различных перекрытий;
• выносных элементов зданий;
• балконов;
• лестничных пролетов.

Подобное крупногабаритное оборудование используют в горнодобывающей отрасли с целью определения необходимого для разрушения скальной породы невзрывным методом усилия. В промышленном производстве стационарные динамометры применяют для вычисления прочности материалов и конструкций.

Высокой точностью отличаются электронные устройства, которые используют в медицине для определения физиологических параметров мышечных волокон. Такими приборами измеряют силовые показатели ответственных узлов, механизмов и агрегатов.

Промышленное применение

В металлообрабатывающей отрасли подобное оборудование применяют для определения функциональных характеристик пресс-штампов. Динамометры позволяют с относительной точностью установить силу резания, изгибания и деформации металлических заготовок и изделий.

Одно из предназначений устройств промышленного типа заключается в измерении тяговой способности производственных установок и крутящего момента, которые указываются в техническом паспорте транспортных средств, двигателей и других агрегатов.

Динамометры разных типов используются при изготовлении:

• роботизированных механизмов;
• космической техники;
• военных машин и установок;
• протезов;
• имплантатов;
• тепло- и электровозов;
• электронных и аналоговых весов;
• контрольно-измерительного оборудования различного предназначения;
• силовых агрегатов;
• турбин;
• грузоподъемных и такелажных устройств.

Такие приборы применяют в производстве динамометрических ключей, предназначенных для затягивания с заданным усилием крепежных деталей резьбового типа. Динамометры необходимы в производстве сельскохозяйственных и коммунальных машин, карьерных самосвалов и тяжелой монтажной техники.

В строительстве

Устройства и оборудование для измерения силы применяют при возведении жилых комплексов и административных зданий. Они необходимы при проектировании эстакад и транспортных развязок.

Динамометры предназначены для измерения несущей способности строительных конструкций, балок и архитектурных фрагментов. Подобное оборудование используют при возведении плотин и других гидротехнических сооружений. Они нашли применение в мостостроении, проектировании колес обозрений и аттракционов.

В медицине

Любой физиологический и анатомический параметр человеческого организма поддается точной оценке в цифровом выражении. Для этого применяют специализированные медицинские приборы.

Динамометр служит для измерения показателей мускульной силы и мышечных сокращений. Приборы медицинского предназначения имеют кистевую либо становую конструкцию. Существуют оптические динамометры, которые применяют для определения силы поддерживающих глазной хрусталик мышечных волокон.

Использование в медицинских целях такого контрольно-измерительного оборудования позволяет точно:

• Установить физическое состояние пациента.
• Определить скорость восстановления после истощения, тяжелой болезни или травмы.
• Оценить динамику постоперационной реабилитации.
• Вычислить мышечную функциональность.
• Узнать степень развития мускулатуры у пациентов с врожденными дефектами и генетическими патологиями.

Показатели мышечной силы, предоставляемые медицинским динамометром, варьируются в определенном диапазоне в зависимости от степени усталости испытуемого, его возраста, гендерной принадлежности. С помощью динамометра определяют силу рукопожатия, по которой, согласно свежим научным данным, можно узнать функциональное состояние сердечного аппарата и спрогнозировать риск острого кардиологического криза.

Важное медицинское предназначение устройства – оценка детского здоровья. Ученые из Бэйлорского университета (Техас, США) выяснили, что функциональное состояние организма ребенка можно определять по силе хвата руки. Существуют данные о взаимосвязи между мышечной слабостью и продолжительностью жизни. Для определения этого параметра применяют такой измерительный прибор.

Принцип суперпозиции

Опыт показывает, что если на данное тело действуют несколько других тел, то соответствующие силы складываются как векторы. Более точно, справедлив принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции сил. Пусть на тело действуют силы ${\large \overrightarrow{F_1}, \overrightarrow{F_2},\ \ldots \overrightarrow{F_n}}$ Если заменить их одной силой ${\large \overrightarrow{F} = \overrightarrow{F_1} + \overrightarrow{F_2} \ldots + \overrightarrow{F_n}}$, то результат воздействия не изменится. Сила ${\large \overrightarrow{F}}$ называется равнодействующей сил ${\large \overrightarrow{F_1}, \overrightarrow{F_2},\ \ldots \overrightarrow{F_n}}$ или результирующей силой.

Виды динамометров

В соответствии с конструкцией силового блока и реализованного принципа работы различают электронные, гидравлические и механические устройства. Последние дополнительно подразделяются на пружинные и рычажные. Существуют комбинированные модели, сочетающие в себе несколько принципов работы для обеспечения высокой точности измерений разного целевого предназначения. Особая категория динамометров – диагностические устройства, имеющие собственную классификацию.

Некоторые модели предназначены исключительно для применения в лечебно-профилактических учреждениях, больницах и физиотерапевтических кабинетах. Существуют компактные бытовые динамометры.

Ассортимент таких устройств разнообразен и насчитывает десятки ручных вариантов. Есть специфические приборы однократного применения, называемые разовыми датчиками.

Их используют для определения силы разрушительных нагрузок – мощных взрывов, сильнейшего динамического давления, колоссальных ударов. Перед потерей целостности и выходом из строя они успевают передать сигнал размещенному на безопасном расстоянии приемному блоку о характеристиках разрушительного воздействия.

Механические модели

Самые простые и неприхотливые в эксплуатации изделия. В механическом динамометре пружинного типа прилагаемое усилие передается на спирально закрученную стальную проволоку. В зависимости от конструктивных особенностей и предназначения устройства рабочий элемент подвергается растяжению либо сжатию. Зафиксированный показатель упругой деформации фиксируется стрелкой измерительной шкалы. Результат считают пропорциональным усилию механического воздействия.

Не менее распространены динамометры с рычагом вместо пружины. Он присоединен к стрелке измерительной шкалы. Воздействующая сила отклоняет рычажный стержень или пластину на определенные количество единиц. Зарегистрированную величину считают показателем приложенного механического давления. Подобные динамометры нельзя назвать слишком точными измерительными приборами.

Простейший и общеизвестный инструмент растягивающего типа – кантарь или безмен. Это ручные весы пружинной конструкции. Распространенный пример рычажного инструмента бытового применения – динамометрический ключ для автомобилей.

Гидравлические модификации

Устройства этого типа измеряют силу внешнего воздействия путем перемещения (выталкивания) жидкости, содержащейся в специальной колбе. Вытесненная субстанция по патрубку движется на шкалу, регистрирующую ее уровень. Динамометр служит для измерения показателей крутящего момента в турбовинтовых двигателях. Гидравлические модели устанавливают для авиационную технику для автоматизированного флюгирования винта при отказе силовой установки.

Такие приборы гораздо точнее механических аналогов, но имеют более сложную конструкцию. Разгерметизация цилиндра с жидкостью моментально приводит к потере устройством функциональности.

Существенно сказывается на работоспособности прибора и точности вычислений ошибки в дозировке при заправке гидравлического динамометра. В авиационной технике используют приборы, выполненные в виде нескольких цилиндров из высокопрочного и термостойкого композитного или металлического сплава.

Электронные динамометры

Конструкция содержит пару датчиков разного предназначения. Один, считающийся основным, преобразует энергию деформации в электрический импульс. Вспомогательный датчик нужен для усиления сигнала и записи его в оперативную память.

Электронный блок бывает:

• индуктивным;
• пьезоэлектрическим;
• вибрационно-частотным;
• конденсаторным;
• тензорезисторным.

Такие устройства чрезвычайно точны и поддерживают синхронизацию с дополнительным оборудованием – механизмами для определения режущего усилия или проволочными приспособлениями, которые используют для оценки сопротивления. Электронные динамометры оснащены небольшим дисплеем и сенсорной или клавишной панелью управления. Результат вычислен отображается числовым значением и в виде осциллограммы.

Эталонные модели

В эту категорию входят электронные устройства с особо точной калибровкой. Они применяются в лабораторной практике, для настройки других динамометров, на испытательных стендах. Эталонные приборы предназначены для тестирования ответственных узлов, агрегатов и механизмов. В таком динамометре имеется силовой датчик, соединенный с цифровым измерительным блоком. На показатели образцовых моделей не влияют условия окружающей среды.

Их оснащают интегрированным механизмом самодиагностики. Такие устройства имеют функцию автоматической компенсации боковых нагрузок, не позволяя им искажать отображаемое на дисплее значение. Динамометр, которому присвоено наименование эталонного, служит для измерения силовых показателей с максимальной точностью. Такие устройства обладают компактными габаритами, устойчивостью к внешним факторам и долговечностью.

Они имеют пользовательский интерфейс, разнообразные цифровые индикаторы и порт для подключения к компьютеру. Эталонные модели совместимы с другими видами контрольно-измерительного оборудования, что позволяет комплексно оценивать рабочие параметры тестируемых механизмов и изделий.

Медицинские динамометры

Приборы узкой специализации, предназначенные для проверки физиологических показателей организма, работоспособности и выносливости людей. Такие динамометры применяют в клинической практике и спортивной медицине. Существующие модели бывают кистевыми и становыми. Первые являются диагностическими устройствами для определения сжимающей способности верхних конечностей.

Приборы этого класса применяют для оценки состояния или контроля профессиональной пригодности в:

• физиотерапевтической практике;
• спорте;
• МЧС;
• воинских подразделениях;
• силовых структурах;
• оказывающих экспедиторские услуги компаниях;
• транспортных предприятиях.

Отдельную группу составляют детские кистевые динамометры. Самая распространенная отечественная модель этой категории – ДМЭР-30-0,5. Большими функциональными возможностями обладают становые приборы. Они предназначаются для проверки силовых показателей разных мускульных групп, ответственных за выпрямление тела, поддержание равновесия и стабилизацию позвоночного столба. Наиболее популярная модель становых динамометров – ДС-500.

Центр масс

Точка центра масс замечательна тем , что если на частицы образующие тело (неважно будет ли оно твердым или жидким, скоплением звезд или чем то другим) действует великое множество сил (имеются ввиду только внешние силы, поскольку все внутренние силы компенсируют друг друга), то результирующая сила приводит к такому ускорению этой точки, как будто в ней вся масса тела ${\large m}$.

Положение центра масс определяется уравнением:

${\large R_{c.m.} = \frac{\sum m_i\, r_i}{\sum m_i}}$

Это векторное уравнение, т.е. фактически три уравнения — по одному для каждого из трех направлений. Но рассмотрим только ${\large x}$ направление. Что означает следующее равенство?

${\large X_{c.m.} = \frac{\sum m_i\, x_i}{\sum m_i}}$

Предположим тело разделено на маленькие кусочки с одинаковой массой ${\large m}$, причем полная масса тела равна будет равна числу таких кусочков ${\large N}$, умноженному на массу одного кусочка, например 1 грамм. Тогда это уравнение означает, что нужно взять координаты ${\large x}$ всех кусочков, сложить их и результат разделить на число кусочков. Иными словами, если массы кусочков равны то ${\large X_{c.m.}}$ будет просто средним арифметическим ${\large x}$ координат всех кусочков.

Для чего необходимо знать силовые показатели?

Подобные устройства имеют практически неограниченные сферы применения. Полученные с их помощью результаты производители разнообразной техники указывают в технической документации. Измерения силовых и нагрузочных способностей позволяет предсказать срок службы и определить эксплуатационный ресурс машины, узла или агрегата. На этом основании устанавливают правила использования изделий и их сервисного обслуживания.

Данные, полученные с помощью динамометров, используют в инженерных расчетах и проектных работах. Ключевое значение такая информация имеет при возведении зданий и мостов, гидротехнических и других сооружений. С помощью установленных силовых показателей и нагрузочных способностей обеспечивают безопасность дорожного движения, пилотируемых полетов, эксплуатации механизмов и техники, парковых аттракционов.

В медицине полученные с использованием таких приборов данные необходимы для выбора терапевтической тактики, методов и средств реабилитации. Профессиональным атлетам динамометрический анализ позволяет оценить эффективность тренировок и внести в них нужные коррективы для ускорения прогресса.

Второй и третий законы Ньютона

Взаимодействие тел можно описывать с помощью понятия силы. Сила — это векторная величина, являющаяся мерой воздействия одного тела на другое. Будучи вектором, сила характеризуется модулем (абсолютной величиной) и направлением в пространстве. Кроме того, важна точка приложения силы: одна и та же по модулю и направлению сила, приложенная в разных точках тела, может оказывать различное воздействие. Так, если взяться за обод велосипедного колеса и потянуть по касательной к ободу, то колесо начнёт вращаться. Если же тянуть вдоль радиуса, никакого вращения не будет.

Второй закон Ньютона

Произведение массы тела на вектор ускорения есть равнодействующая всех сил, приложенных к телу:

${\large m \cdot \overrightarrow{a} = \overrightarrow{F} }$

Второй закон Ньютона связывает векторы ускорения и силы. Это означает, что справедливы следующие утверждения.

1. ${\large m \cdot a = F}$, где ${\large a}$ — модуль ускорения, ${\large F}$ — модуль равнодействующей силы.
2. Вектор ускорения имеет одинаковое направление с вектором равнодействующей силы, так как масса тела положительна.

Третий закон Ньютона

Два тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Эти силы имеют одну и ту же физическую природу и направлены вдоль прямой, соединяющей их точки приложения.

Факторы, которые влияют на силовые показатели

Самыми точными считаются электронные приборы. Их измерения практически не подвержены воздействию факторов окружающей среды. На результаты медицинских исследования влияют время суток и физическая готовность пациента. Наименьшую мышечную силу фиксируют в утренние и вечерние часы. В полуденное время этот физиологический показатель достигает пикового значения.

На величину мускульной силы воздействует психоэмоциональное состояние в момент проведения теста. Расстройство сна, дефицит в организме нутриентов, витаминное и кислородное голодание снижают мышечную активность и уменьшают показатели, полученные путем измерения таким прибором. Наименее точными считаются динамометры механической конструкции.

На уровень погрешности вычислений подобных устройств влияет большое количество внешних и конструктивных факторов:

• температура окружающей среды;
• влажность и плотность воздуха;
• степень износа деталей;
• люфты;
• качество сборки;
• материал изготовления силового блока;
• пружинные свойства стали, которые изменяются в процессе эксплуатации.

Динамометр служит для измерения показателей силовых возможностей механизма, строительной конструкции или человеческого тела. В последнем случае полученные значения снижаются при недостаточной физической активности и мышечной дистрофии.

Описание устройств KINGTONY 34855

Представленный динамометр изготовлен с двумя держателями. Пружина в данном случае используется большой прочности. Циферблат применяется с делением 0,2 мН. Система от перегрузок используется первого класса. Корпус имеется влагостойкого типа. Максимальная перегрузка допускается в 13 Н.

Крепление для установки в стандартный комплект входит. Если верить отзывам покупателей, то минусовой температуры этот динамометр не боится. Точность измерения прибора находится на отметке в 0,6 %. Для лабораторных опытов модификация подходит не лучшим образом. Купить эти приборы для измерения силы можно за 65 тыс. руб.

Принцип действия динамометра

Самыми простыми по конструкции и принципу работы считаются механические модели. В пружинных модификациях на упругую деталь воздействует сила, подлежащая измерению. Она вызывает деформационные изменения – растяжение или сжатие. Это приводит в действие прикрепленную к пружине стрелку, которая смещается по шкале, фиксируя величину приложенного усилия. Похожий принцип работы имеют рычажный и гидравлический динамометры.

В последнем роль деформируемого элемента и по совместительству регистрирующего приспособления играет жидкость, выталкиваемая приложенным усилием. В рычажных моделях подвижная деталь под внешним давлением изменяет положение. Рычаг смещает прикрепленную к нему стрелку на определенное количество делений шкалы. Благодаря точности и универсальности большое распространение получили тензорезисторные устройства.

Такие приборы способны регистрировать динамические и статические нагрузки. В его конструкцию входит измерительный элемент повышенной упругости и несколько тензорезисторных решеток. Приложенное усилие вызывает деформационные изменения, которые приводят к разбалансировке токов моста сопротивления. В результате генерируется электрический импульс, улавливаемый специальным датчик и отображаемый на дисплее цифровым значением.

Индукционные модели, предназначенные для испытаний силовых агрегатов мощностью до 966 л.с., отличаются принципиально иным механизмом действия и малой инерционностью. В конструкции подобных устройств имеется полированный металлический диск, находящийся под влиянием электромагнитных сил. Он оборачивается с установленным скоростным показателем, генерируя токовые завихрения, величину которых регистрирует тензорный датчик.

Динамометр служит для измерения показателей статической нагрузки. Для этого используют приборы с пьезоэлектрическим принципом работы. Конструктивное строение подобных устройств включает в себя специальную пластину.

Ее основу составляет кварц с бездефектными участками. Минерал обладает прямым либо обратным пьезоэффектом. Заряд формируется при механическом воздействии на кварцевую пластину. Тип электрической реакции определяется положением разреза по отношению к осевым линиям кристаллов. Специальный преобразователь трансформирует заряд в напряжение. Приборы этого класса применяют для оценки мощности ударного воздействия.

Для замера давления при шлифовке, фрезеровке и других видах металлообработки применяют контрольные инструменты с проволочным индикатором. В их конструкцию входит квадратная пластина из прочного и упругого сплава. Она крепится к внутренней поверхности корпуса пружинными звеньями, изготовленными из специальной марки стали. Прибор позволяет замерять горизонтальное и радиальное усилие с высокой точностью.

Оказываемое на пластину давление фиксирует считывающий блок, который выводит его на дисплей. Датчик точно улавливает характер колебаний детали на упругих крепежных элементах и преобразует их в цифровые значения.

Гидравлические устройства

Гидравлические динамометры имеют массу преимуществ. В первую очередь, важно отметить простоту конструкции. Гидравлический механизм располагается у моделей под ручкой. Держатели часто используются изогнутой формы. Для больниц указанные устройства подходят хорошо. Однако для лабораторных опытов они используются редко. В первую очередь, важно отметить, что они боятся высокой температуры. Параметр предельной нагрузки в среднем равняется 4,5 Н. При повышенной влажности гидравлические устройства использовать запрещается.

Технические характеристики

Они зависят от разновидности, функциональных возможностей и сферы применения устройства. Наиболее распространены отечественные модели динамометров серии ДК.

Эти простые, но точные и надежные механические приборы имеют следующие технические характеристики:

Более разнообразны и функциональны электронные экземпляры. Они имеют расширенный диапазон измеряемых показателей – 2-120 деканьютонов. Дискретность (уровень погрешности) для большинства таких устройств не превышает 0,5 даН. Электронные динамометры автоматические отключаются через заданное в настройках время при отсутствии активности пользователя. Они выдерживают температурный режим +10…+35°С без погрешности в вычислениях.

Медицинское диагностическое оборудование станового типа имеет максимальный показатель величин до 500 деканьютонов. Подобные приборы оснащаются крупной шкалой с ценой деления 2-5 даН. Такие устройства позволяют диагностировать у детей ранние проявления сколиоза и нарушения осанки.

Тяжелее — Легче

Вес тела ${\large P}$ выражается произведением его массы ${\large m}$ на ускорение силы тяжести ${\large g}$.

${\large P = m \cdot g}$

Когда на земле тело становится легче (слабее давит на весы), это происходит от уменьшения массы. На луне все не так, уменьшение веса вызвано изменением другого множителя — ${\large g}$, так как ускорение силы тяжести на поверхности луны в шесть раз меньше чем на земле.

масса земли = ${\large 5,9736 \cdot {10^{24}}\ kg }$

масса луны = ${\large 7,3477 \cdot {10^{22}}\ kg }$

ускорение свободного падения на Земле = ${\large 9,81\ m / c^2 }$

ускорение свободного падения на Луне = ${\large 1,62 \ m / c^2 }$

В результате произведение ${\large m \cdot g }$, а следовательно и вес уменьшаются в 6 раз.

Но нельзя обозначить оба эти явления одним и тем же выражением «сделать легче». На луне тела становятся не легче, а лишь менее стремительно падают они «менее падучи»))).

Динамометр в повседневной жизни

Безменом можно быстро измерить вес ручной клади, предметов домашнего обихода и продовольственных продуктов. Несмотря на появление высокоточных электронных весов, дешевые и удобные карманные динамометры до сих пор активно применяют в быту.

Более конструктивно сложные приспособления в повседневной жизни используют для замера усилия закрывания дверей лифтов и пассажирского транспорта:

• автобусов;
• троллейбусов;
• трамваев;
• вагонов метро.

Существуют домашние приборы, предназначенные для оценки степени спелости фруктов. В основу работы тонометра положен динамометрический принцип. Такое устройство понадобится при необходимости узнать вес веществ и разных состояниях – жидком, сыпучем, сухом.

Полезны динамометры при выполнении монтажно-строительных работ и ремонте квартир. Они служат для оценки силы поднимания автомобильных окон. Устройства механической конструкции в быту используют с целью измерения показателей силы закрывания люков и сдвигающихся гаражных ворот.

Описание устройств ДК-158

Это профессиональный и многофункциональный динамометр. Для измерения силы хвата модель подходит не лучшим образом. Все основные единицы измерения она поддерживает. При желании программное обеспечение можно поменять. Интерфейс производителем предусмотрен серии С203. Всего у динамометра указанной серии используется три адаптера. Карты памяти прибор не поддерживает. Система защиты от перегрузок используется первого класса. При желании разрешается подключать весы. Скорость включения равняется 1,3 секунды.

Графический дисплей предусмотрен с яркой подсветкой. Функция сохранения результатов замеров есть. Аккумулятор для работы устройства используется литиевого типа. Параметр проводимости у него составляет 3,3 мк. Время автономной работы максимум равняется 12 часов. При необходимости динамометр разрешается переводить в спящий режим для экономии энергии батареи. Стоят указанные приборы для измерения силы около 46 тыс. руб.