Metoder for å måle effektegenskaper. Verktøy og metoder for å måle kraft. Tema: Samhandling av kropper

For å måle krefter brukes ulike fysiske effekter, som er preget av et visst forhold mellom kraften og en annen mengde, for eksempel deformasjon (relativ eller absolutt), trykk, piezoelektrisitet, magnetostriksjon, etc. Den vanligste metoden for å måle kraft er bruk av elastisk deformasjon av fjærelementer (for eksempel fjærskalaer). Innenfor grensene av Hookes lov, er det observert proporsjonal avhengighet mellom styrke F og deformasjon ε eller D l: F~e~D l.

Tøyning måles oftest ved hjelp av de elektriske, optiske eller mekaniske metodene beskrevet ovenfor.

Avhengig av valgt metode og måleområde er det deformerbare føleelementet (oppfatter deformasjon) utformet på en slik måte at deformasjonen reproduseres i form av strekk eller kompresjon, d.v.s. som en endring i startlengden (basen). Det elastiske elementet sammen med elementene festet til det som utfører transformasjonsfunksjoner (mekaniske, elektriske, etc.), et beskyttende hus, etc. danner en krafttransduser (dynamometer). Til tross for variasjonen av krav til nominell belastning, funksjoner på grunn av måleteknikker og andre årsaker, kan alle elastiske elementer reduseres til et relativt lite antall basistyper.

Mekaniske dynamometre brukes primært til enkeltmålinger under spesielt tøffe driftsforhold, samt hvor relativt lav nøyaktighet er akseptabelt. Bruk av sensitive måleinstrumenter (mikrometer, mikroskop) for å måle deformasjoner gjør det imidlertid mulig å bruke mekaniske dynamometre for å oppnå god nøyaktighet.

I andre dynamometre omdannes en endring i lengden på det elastiske elementet til bevegelse langs skalaen til en lyspeker som avledes av et roterende speil festet til det elastiske elementet (Martens-apparatet). Med kvalifisert service og tatt i betraktning de mange forpliktelsene knyttet til måleteknikken, kan svært nøyaktige resultater oppnås. På grunn av en rekke vanskeligheter brukes disse instrumentene nesten utelukkende til testing og kalibrering.

Hydrauliske dynamometre Kan brukes til moderate nøyaktighetsmålinger under tøffe driftsforhold. De bruker trykkmålere med Bourdon-rør som indikasjonsinstrument. De er vanligvis montert direkte på dynamometeret; om nødvendig kan de kobles til dynamometeret med et flere meter langt kapillarrør. Slike måleenheter tillater tilkobling av opptaksenheter.

Elektriske dynamometre. Den raske utviklingen innen elektroteknikk og elektronikk har ført til utbredt bruk av elektriske metoder for måling av mekaniske mengder, spesielt kraft. Til å begynne med ble mekaniske tøyningstransdusere i mekaniske dynamometre erstattet av elektriske (for eksempel mekaniske forskyvningstransdusere med induktive). Med utviklingen av strekningsmålere har det åpnet seg nye muligheter. Uavhengig av dette ble imidlertid andre elektriske målemetoder forbedret og nye målemetoder utviklet.

På valg Nøyaktigheten av målingen er av stor betydning.

1.2.1 Elektriske strekkmålerdynamometre.

Blant dynamometrene det er høyeste verdi, nemlig strain gauge dynamometre. Måleområdet til disse dynamometrene er uvanlig bredt - det finnes dynamometre med nominelle krefter fra 5 N til mer enn 10 MN. høy målenøyaktighet. feilen er 0,03 % og til og med 0,01 %.

Design, hovedtyper. I sin enkleste form er det elastiske følsomme elementet i et dynamometer en stang som er lastet langs sin akse. Føleelementer av denne typen brukes for målinger i området fra 10 kN til 5 MN. Ved belastning trekker stangen seg sammen, og dens diameter øker samtidig i samsvar med Poissons forhold. Strekkmålere limt til stangen i området av et jevnt kraftfelt er inkludert i Wheatstone-brokretsen slik at det i de to motsatte armene er strekkmålere, hvis gitter er rettet langs stangens akse eller vinkelrett på den.

I tillegg til strain gauges, inkluderer Wheatstone-brokretsen ytterligere kretselementer som tjener til å kompensere for ulike temperaturavhengige effekter, slik som null ustabilitet, endringer i elastisitetsmodulen og termisk utvidelse av sensorelementmaterialet, endringer i følsomheten til strekningsmåleren, og linearisering av dynamometerkarakteristikken.

Utgangsspenningen er proporsjonal med den relative deformasjonen, og sistnevnte, i samsvar med Hookes lov, er proporsjonal med belastningen på stangen.

Figur 1 viser noen typer elastiske elementer for strekkmålerdynamometre.

For å måle krefter i et mindre område (opptil ca. 5 N) og øke avlesningen, brukes følerelementer som bruker bøyedeformasjoner fremfor langsgående deformasjoner.

Vi vet allerede at for å beskrive samspillet mellom kropper, brukes en fysisk størrelse kalt kraft. I denne leksjonen vil vi lære mer om egenskapene til denne mengden, kraftenhetene og enheten som brukes til å måle den - et dynamometer.

Tema: Samhandling av kropper

Leksjon: Kraftenheter. Dynamometer

Først av alt, la oss huske hva styrke er. Når en annen kropp virker på en kropp, sier fysikere at en kraft utøves på den gitte kroppen av den andre kroppen.

Kraft er en fysisk størrelse som karakteriserer en kropps handling på en annen.

Styrke er merket med en latinsk bokstav F, og kraftenheten kalles til ære for den engelske fysikeren Isaac Newton Newton(vi skriver med liten bokstav!) og er betegnet med N (vi skriver med stor bokstav, siden enheten er oppkalt etter vitenskapsmannen). Så,

Sammen med newton brukes flere og submultiple kraftenheter:

kilonewton 1 kN = 1000 N;

meganewton 1 MN = 1 000 000 N;

millinewton 1 mN = 0,001 N;

mikronewton 1 µN = 0,000001 N, etc.

Under påvirkning av en kraft endres hastigheten til en kropp. Med andre ord begynner kroppen å bevege seg ikke jevnt, men akselerert. Mer presist, jevnt akselerert: over like perioder endres hastigheten til en kropp likt. Nøyaktig hastighetsendring kropper under påvirkning av kraft brukes av fysikere for å bestemme kraftenheten i 1 N.

Måleenheter for nye fysiske størrelser uttrykkes gjennom de såkalte grunnenhetene - enheter for masse, lengde, tid. I SI-systemet er de kilogram, meter og andre.

La, under påvirkning av noen kraft, kroppens hastighet veier 1 kg endrer hastigheten med 1 m/s for hvert sekund. Det er denne typen kraft som blir tatt som 1 newton.

En newton (1 N) er kraften som en massekropp under 1 kg endrer hastigheten til 1 m/s hvert sekund.

Det er eksperimentelt fastslått at tyngdekraften som virker nær jordoverflaten på en kropp som veier 102 g er lik 1 N. Massen på 102 g er omtrent 1/10 kg, eller for å være mer presis,

Men dette betyr at en gravitasjonskraft på 9,8 N vil virke på et legeme som veier 1 kg, det vil si på et legeme som er 9,8 ganger større, ved jordoverflaten. Dermed kan man finne tyngdekraften som virker på en kropp av hvilken som helst masse, må du multiplisere masseverdien (i kg) med koeffisienten, som vanligvis angis med bokstaven g:

Vi ser at denne koeffisienten er numerisk lik tyngdekraften som virker på en kropp som veier 1 kg. Det heter tyngdeakselerasjon . Opprinnelsen til navnet er nært knyttet til definisjonen av kraft av 1 newton. Tross alt, hvis en kropp som veier 1 kg blir påvirket av en kraft på ikke 1 N, men 9,8 N, vil kroppen under påvirkning av denne kraften endre hastigheten (akselerere) ikke med 1 m/s, men med 9,8 m/s hvert sekund. På videregående vil denne problemstillingen bli diskutert mer detaljert.

Nå kan vi skrive ned en formel som lar oss beregne tyngdekraften som virker på et legeme med vilkårlig masse m(Fig. 1).

Ris. 1. Formel for beregning av gravitasjon

Du bør vite at tyngdeakselerasjonen er 9,8 N/kg bare ved jordoverflaten og avtar med høyden. For eksempel, i en høyde på 6400 km over jorden er det 4 ganger mindre. Men når vi løser problemer, vil vi neglisjere denne avhengigheten. I tillegg virker tyngdekraften også på Månen og andre himmellegemer, og på hvert himmellegeme har tyngdeakselerasjonen sin egen betydning.

I praksis er det ofte nødvendig å måle kraft. Til dette brukes en enhet kalt dynamometer. Grunnlaget for dynamometeret er en fjær som den målte kraften påføres. Hvert dynamometer, i tillegg til fjæren, har en skala der kraftverdier er angitt. En av endene av fjæren er utstyrt med en pil, som indikerer på skalaen hvilken kraft som påføres dynamometeret (fig. 2).

Ris. 2. Dynamometeranordning

Avhengig av de elastiske egenskapene til fjæren som brukes i dynamometeret (dens stivhet), under påvirkning av samme kraft, kan fjæren forlenges mer eller mindre. Dette gjør det mulig å produsere dynamometre med ulike målegrenser (fig. 3).

Ris. 3. Dynamometre med målegrenser på 2 N og 1 N

Det finnes dynamometre med en målegrense på flere kilonewton eller mer. De bruker en fjær med svært høy stivhet (fig. 4).

Ris. 4. Dynamometer med en målegrense på 2 kN

Hvis du henger en last på et dynamometer, kan vekten av lasten bestemmes fra dynamometeravlesningene. For eksempel, hvis et dynamometer med en last hengende fra det viser en kraft på 1 N, er lastens masse 102 g.

La oss ta hensyn til det faktum at kraft ikke bare har en numerisk verdi, men også en retning. Slike mengder kalles vektormengder. For eksempel er hastighet en vektormengde. Kraft er også en vektormengde (de sier også at kraft er en vektor).

Tenk på følgende eksempel:

En kropp med en masse på 2 kg er opphengt i en fjær. Det er nødvendig å skildre tyngdekraften som Jorden tiltrekker denne kroppen med og vekten av kroppen.

La oss huske at tyngdekraften virker på kroppen, og vekten er kraften som kroppen virker på opphenget med. Hvis fjæringen er stasjonær, er den numeriske verdien og retningen til vekten den samme som tyngdekraften. Vekt, som tyngdekraften, beregnes ved å bruke formelen vist i fig. 1. Massen på 2 kg skal multipliseres med gravitasjonsakselerasjonen på 9,8 N/kg. Med lite nøyaktige beregninger blir akselerasjonen av fritt fall ofte tatt til å være 10 N/kg. Da vil tyngdekraften og vekten være omtrent 20 N.

For å skildre vektorene for tyngdekraft og vekt i figuren, er det nødvendig å velge og vise i figuren en skala i form av et segment som tilsvarer en viss kraftverdi (for eksempel 10 N).

La oss skildre kroppen i figuren som en ball. Påføringspunktet for tyngdekraften er sentrum av denne ballen. La oss skildre kraften som en pil, hvis begynnelse er plassert på punktet for påføring av kraften. La oss rette pilen vertikalt nedover, siden tyngdekraften er rettet mot jordens sentrum. Lengden på pilen, i samsvar med den valgte skalaen, er lik to segmenter. Ved siden av pilen tegner vi bokstaven, som indikerer tyngdekraften. Siden vi på tegningen indikerte kraftens retning, er det plassert en liten pil over bokstaven for å understreke det vi skildrer vektor størrelse.

Siden kroppsvekten påføres suspensjonen, er begynnelsen av pilen som representerer vekten plassert nederst på suspensjonen. Ved avbildning respekterer vi også skalaen. Plasser bokstaven ved siden av den, angir vekt, ikke glem å plassere en liten pil over bokstaven.

Den komplette løsningen på problemet vil se slik ut (fig. 5).

Ris. 5. Formalisert løsning på problemet

Vær oppmerksom på nok en gang at i problemet vurdert ovenfor, viste de numeriske verdiene og retningene for tyngdekraften og vekt seg å være de samme, men brukspunktene var forskjellige.

Når du beregner og avbilder enhver kraft, må tre faktorer tas i betraktning:

· numerisk verdi (modul) av kraft;

· kraftretning;

· punkt for påføring av makt.

Kraft er en fysisk størrelse som beskriver virkningen av en kropp på en annen. Det er vanligvis merket med bokstaven F. Kraftenheten er newton. For å beregne verdien av tyngdekraften, er det nødvendig å kjenne tyngdeakselerasjonen, som ved jordoverflaten er 9,8 N/kg. Med en slik kraft tiltrekker jorden en kropp som veier 1 kg. Når du skildrer en kraft, er det nødvendig å ta hensyn til dens numeriske verdi, retning og brukspunkt.

Referanser

1. Peryshkin A.V. 7. klasse - 14. utgave, stereotypi. - M.: Bustard, 2010.
2. Peryshkin A.V. Samling av problemer i fysikk, klassetrinn 7-9: 5. utgave, stereotypi. - M: Publishing House "Exam", 2010.
3. Lukashik V.I., Ivanova E.V. Samling av problemer i fysikk for klasse 7-9 av utdanningsinstitusjoner. - 17. utg. - M.: Utdanning, 2004.

1. Enhetlig samling av digitale pedagogiske ressurser ().
2. Enhetlig samling av digitale pedagogiske ressurser ().
3. Enhetlig samling av digitale pedagogiske ressurser ().

Lekser

1. Lukashik V. I., Ivanova E. V. Samling av problemer i fysikk for klasse 7-9 nr. 327, 335-338, 351.

Det er to måter å registrere styrkekvaliteter på:

• 1. uten måleutstyr (i dette tilfellet utføres vurderingen av nivået av styrkeberedskap basert på den største vekten som utøveren er i stand til å løfte eller holde)
• 1. bruk av måleapparater - dynamometre.

Alle kraftmåleinstallasjoner er delt inn i to grupper:

• a) måling av deformasjonen til et legeme som det påføres en kraft på
• b) måling av akselerasjonen til et bevegelig legeme - treghetsdynamografer. Fordelen deres er at de gjør det mulig å måle utøverens kraft i bevegelse, i stedet for under statiske forhold. Den mest utbredte praksisen er å måle kraft ved hjelp av dynamometre.

Mekaniske dynamometre - fjærtype består av en elastisk lenke som oppfatter krefter, samt konverterings- og indikeringsanordninger, strekkmålere kraftmåleanordninger.

Alle måleprosedyrer utføres med obligatorisk overholdelse av metrologiske krav generelle for overvåking av fysisk form og samsvar med spesifikke krav for måling av styrkekvaliteter:

• - bestemme og standardisere posisjonen til kroppen (leddet) der målingen utføres;
• - ta hensyn til lengden på kroppssegmenter når du måler kraftmomentet;
• - ta hensyn til retningen til kraftvektoren.

Maksimal kraftmåling

Konseptet "maksimal kraft" brukes for å karakterisere, for det første, absolutt kraft, utøvet uten hensyn til tid, og for det andre kraft, hvis varighet er begrenset av bevegelsesforholdene. Maksimal styrke måles i spesifikke og ikke-spesifikke tester:

• - Registrer styrkeindikatorer i en konkurranseøvelse, eller en nær den i strukturen til manifestasjonen av motoriske egenskaper.
• - bruk et styrkemålestativ, som måler styrken til nesten alle muskelgrupper i standardoppgaver.

Maksimal kraft kan måles under statiske og dynamiske forhold. I dette tilfellet registreres kvalitativt forskjellige indikatorer: maksimal statisk kraft og maksimal dynamisk kraft. Ved måling av styrkekvaliteter er det nødvendig å være spesielt oppmerksom på kroppsholdning pga mengden kraft som utøves kan variere betydelig avhengig av leddvinkelen. Styrkeindikatorene registrert under målinger kalles absolutte; Relative indikatorer bestemmes ved beregning (i forhold til absolutt styrke til kroppsvekt).

Måle kraftgradienter

Differensielle styrkeindikatorer (eller gradienter) karakteriserer utviklingsnivået til den såkalte eksplosive styrken til en idrettsutøver. Å bestemme verdiene deres er assosiert med å måle tiden for å oppnå maksimal kraft eller noen faste verdier. Oftest gjøres dette ved hjelp av strain-dynamografiske enheter, som gjør det mulig å oppnå endringer i krefter over tid i form av en graf. Resultatene av dynamogramanalysen uttrykkes i form av kraft- og tidsindikatorer. Sammenligning av dem gjør det mulig å beregne verdiene av kraftgradienter. Analyse av resultatene av måling av styrkegradienter gjør det mulig å finne årsakene til ulik prestasjoner blant idrettsutøvere med omtrent samme nivå av absolutt styrkeutvikling.

Pulsmåling

Den integrerte kraftindikatoren (impulsen) bestemmes enten som produktet av gjennomsnittskraften på tidspunktet for dens manifestasjon, eller av området begrenset av dynamogrammet og abscisseaksen. Denne indikatoren karakteriserer styrkekvaliteter i slående bevegelser (boksing, slå ballen).

Overvåking av styrkekvaliteter uten måleutstyr

Måling av styrkekvaliteter ved hjelp av høypresisjonsinstrumenter utføres hovedsakelig i prosessen med å trene kvalifiserte idrettsutøvere. I massesport brukes slike enheter relativt sjelden; nivået av utvikling av styrkekvaliteter bedømmes av resultatene av å utføre konkurrerende eller spesielle øvelser. Det er to kontrollmetoder:

• - direkte - maksimal styrke bestemmes av den største vekten en idrettsutøver kan løfte i en teknisk relativt enkel bevegelse. Det er ikke tilrådelig å bruke koordinerte komplekse bevegelser for dette, siden resultatet i stor grad avhenger av nivået på teknisk ferdighet.
• - Indirekte - hastighet-styrke egenskaper og styrke utholdenhet er gjenstand for måling. Til dette formålet brukes øvelser som lengdehopp, skuddkasting, pull-ups osv. Nivået av hastighet-styrke-kvaliteter bedømmes av rekkevidden av kast eller kast, og vekten av den flyttede vekten indikerer hva som hovedsakelig måles: med en signifikant

vekter - styrkekvaliteter; i gjennomsnitt - hastighet-styrke; ved lave hastigheter - høyhastigheter. (V.M. Zatsiorsky, 1982).

Definisjonen av kraft er implisitt i Newtons tre bevegelseslover.

1. Hver kropp forblir i en tilstand av hvile eller jevn og lineær bevegelse inntil noen krefter tar den ut av denne tilstanden.

2. En ubalansert kraft gir akselerasjon til kroppen i den retningen den virker. Denne akselerasjonen er proporsjonal med kraft og omvendt proporsjonal med kroppens masse.

3. Hvis kroppen EN utøver en viss kraft på kroppen I, deretter kroppen I virker med samme, men motsatt rettet kraft på kroppen EN.

Basert på Newtons andre lov bestemmes kraftenheten som produktet av masse og akselerasjon (F = ma). Det er en annen formulering av Newtons andre lov. Drivkraften til et legeme er lik produktet av massen og bevegelseshastigheten, så ma er hastigheten for endring av momentum. Kraften som virker på et legeme er lik endringshastigheten til dets momentum. Spise forskjellige måter kraftmålinger. Noen ganger er dette nok til å balansere kraften med en belastning eller bestemme hvor mye den strekker fjæren. Noen ganger kan krefter beregnes fra andre observerbare størrelser, for eksempel akselerasjoner, når man vurderer hopp eller prosjektilkasting. I andre tilfeller er det best å bruke en av de mange elektriske enhetene kjent som mekanoelektriske omformere. Disse enhetene, under påvirkning av påførte krefter, genererer elektriske signaler,

som kan forsterkes og registreres i en eller annen form for opptak og konverteres til kraftverdier.

Styrken til en persons handling avhenger av tilstanden til en gitt person og hans frivillige innsats, det vil si ønsket om å vise en eller annen mengde kraft, spesielt maksimal styrke, så vel som av ytre forhold, spesielt på parametrene for motoriske oppgaver, for eksempel leddvinkler i kroppens biokjeder .

Prestasjoner i nesten alle idretter avhenger av nivået på utviklingen av styrkekvaliteter, og derfor metoder for kontroll og

Det er lagt stor vekt på å forbedre disse egenskapene.

Metoder for å måle kraft

Metoder for å kontrollere styrkekvaliteter har en lang historie.

De første mekaniske enhetene designet for å måle menneskelig styrke ble skapt tilbake på 1700-tallet. Ved overvåking av styrkekvaliteter tas vanligvis tre grupper av indikatorer i betraktning.

1. Grunnleggende: a) øyeblikkelige kraftverdier til enhver bevegelse (spesielt maksimal kraft); b) gjennomsnittlig styrke.

2. Integral, for eksempel kraftimpuls.

3. Differensial, for eksempel kraftgradient.

Maksimal styrke veldig visuelt, men i raske bevegelser karakteriserer det deres sluttresultat relativt dårlig (for eksempel kan korrelasjonen mellom den maksimale frastøtningskraften og høyden på hoppet være nær null).

I henhold til mekanikkens lover, den endelige effekten av kraften, i

Spesielt kraften oppnådd som et resultat av endring av kroppens hastighet bestemmes av kraftimpulsen. Hvis kraften er konstant, da puls- er produktet av makt og tidspunktet for dens handling ( Si =F·∆t). Under andre forhold, for eksempel under påvirkningsinteraksjoner, utføres beregninger av kraftimpulsen ved integrasjon, og derfor kalles indikatoren integral. Dermed er den mest informative kraftimpulsen når

kontroll over slagbevegelser (i boksing, å slå ballen, etc.).

Gjennomsnittlig styrke- dette er en betinget indikator lik kvotienten for å dele impulsen til en kraft med tidspunktet for dens handling. Innføringen av en gjennomsnittskraft tilsvarer antakelsen om at en konstant kraft (lik gjennomsnittet) virket på kroppen i løpet av samme tid.

Det er to måter å registrere styrkekvaliteter på:

1) uten måleutstyr (i dette tilfellet utføres vurderingen av nivået av styrkeberedskap basert på den maksimale vekten som utøveren er i stand til å løfte eller holde);

2) bruk av måleenheter - dynamometre

eller dynamografer.

Alle måleprosedyrer utføres med obligatorisk

overholdelse av generell overvåking av fysisk form

metrologiske krav. Det er også nødvendig å strengt tatt

overholde spesifikke krav til måling av effekt

1) definere og standardisere i gjentatte forsøk

posisjonen til kroppen (leddet) der målingen er tatt;

2) ta hensyn til lengden på kroppssegmenter når du måler momenter

3) ta hensyn til retningen til kraftvektoren.

Kontroll av kraftkvaliteter uten måling enheter. I masseidrett blir nivået av utvikling av styrkekvaliteter ofte bedømt av resultatene av konkurranse- eller treningsøvelser. Det er to kontrollmetoder: direkte og indirekte. I det første tilfellet tilsvarer maksimal kraft den største vekten en idrettsutøver kan løfte i en teknisk relativt enkel bevegelse (for eksempel en benkpress). I det andre tilfellet måler de ikke så mye absolutt styrke som hastighet-styrkekvaliteter eller styrkeutholdenhet. For å gjøre dette brukes øvelser som å stå lange og høye hopp, kaste medisinballer, pull-ups osv.