Динамометр

Принцип действия

Принцип работы электрических устройств основан на том, что датчик испытывает определенную деформацию, вследствие чего происходит изменение токов сопротивления. В результате электросигнал находится в прямой зависимости от деформации элемента. Дополнительному датчику лишь необходимо усилить сигнал и записать его, чтобы можно было снять параметры прикладываемой силы.

Динамометр механического действия работает несколько иначе. Главная его особенность в том, что при приложении силы пружина подвергается деформационному воздействию. Благодаря такому свойству можно измерить параметры деформационного воздействия, то есть силу, которая прикладывается к ней.

Предлагаем ознакомиться Влияние удобрений на рост растений. Роль и влияние удобрений на растения. Органические и органоминеральные удобрения

Гидравлические приборы способны демонстрировать более высокую точность, однако и конструкция у них более сложная. Принцип работы подобного устройства базируется на перемещении жидкости, расположенной в резервуаре, в момент приложения силы. Жидкость, которая была вытеснена по трубке, направляется к прибору, который и фиксирует ее объем.

Сила и единицы ее измерения

В физике то усилие, с которым одно тело действует на другое, называется силой. Она является не скалярной, а векторной величиной. Ее принято обозначать латинской буквой F, а что касается ее единицы, то используется буква H в честь знаменитейшего английского физика Исаака Ньютона.

Кроме того, на практике широко распространено использование дольных единиц силы, таких, как:

Микроньютон 1 мкН = 0.000001 Н
Миллиньютон 1 мН = 0.001 Н
Килоньютон 1 кН = 1000 Н
Меганьютон 1 МН = 1000000 Н

Под одним ньютоном (1 Н) понимается сила, при воздействии которой на тело массой 1 кг скорость его движения изменяется ежесекундно на 1 м/с.

Эксперименты показывают, что та сила тяжести, которая действует на тело, имеющее массу 102 грамма и расположенное вблизи поверхности Земли, равняется 1Н.

Определение становой силы

Вычислив мощь кистей рук, можно проверить и результаты в таком базовом упражнении, как становая тяга. Именно в этом движении будут видны все силовые качества человека. Это связано с тем, что при таком упражнении у спортсмена задействуются все основные мышцы тела.

Чтобы осуществить такой замер, необходимо использовать специальный прибор, который внешне очень схож с обычным ножным эспандером. Он состоит из рукоятки для рук и подножки для ног. Однако вместо пружин данное приспособление имеет трос со своеобразным измерительным прибором посередине.

Задача испытуемого заключается в том, чтобы потянуть рукоятки на себя с максимально возможной силой. Для того чтобы определить необходимые значения, следует аналогичным образом, как и в случае с ручным медицинским прибором, рассчитать относительную величину становой тяги. Ее результаты можно интерпретировать следующим образом:

меньше 170% — низкая;
от 170% до 200% — ниже средней;
от 200% до 230% — средняя;
от 230% до 250% — выше средней;
больше 260% — высокая.

Если в процессе тренировок у спортсмена значительно увеличиваются показатели относительной силы, то это свидетельствует о существенном повышении мышечной силы и, соответственно, о процентном росте содержания самой мышечной массы.

Виды динамометров

В настоящее время представленный прибор имеет множество различных моделей. Наиболее распространенным среди них является динамометр медицинский ручной, который предназначается для измерения мышечной силы кисти руки. Такой прибор не зря называют медицинским, так как он часто применяется в больницах и поликлиниках, для оснащения медкабинета в санаториях, спортивных учреждениях и школах.

Однако ответом на вопрос о том, что измеряет динамометр, может послужить не только мышечная сила кисти руки. Ведь существуют такие разновидности данного прибора, которые часто используют для аналогичного замера силы мускулатуры ног и туловища, характеризующие степень физического развития того или иного человека.

Применение динамометров

На практике динамометры применяются не только для того, чтобы с их помощью измерять силу тяжести, но и для того, чтобы определять значения других сил (трения, упругости и т.п.). К примеру, сейчас эти приборы применяют для того, чтобы измерять силу различных мышечных групп человека. Одной из разновидностей такого рода устройств являются, к примеру, силометры. С их помощью измеряется мускульная сила руки при сжатии ее в кулак.

Динамометры находят широкое применение и тогда, когда необходимо измерять такие показатели, как тяговые усилия локомотивов, тягачей, тракторов, речных, морских буксиров и прочей техники подобного назначения. Для этого применяются специализированные тяговые динамометры. Их главной отличительной особенностью является то, что с их помощью можно измерять такие тяговые усилия, которые составляют до нескольких десятков тысяч ньютонов.

Если говорить о применении динамометров в повседневной жизни, то эти приборы используются для того, чтобы измерять силу сжатия створок различных закрывающихся в автоматическом режиме устройств (например, дверей вагонов метро, грузовых и пассажирских лифтов, гаражных ворот и т.п.). Необходимо особо отметить, что применение таких систем с использованием динамометров предполагает точную их юстировку и своевременное, тщательное техническое обслуживание.

Что измеряют динамометром в реальном мире

Этот замечательный прибор может применяться в разных условиях. Его роль — просто измерять силу. Это может быть вертикально подвешенный груз. С помощью динамометра измеряют усилия, необходимые для разрушения образцов материалов в промышленных установках. Его можно использовать для определения усилия открывания дверей или силы, с которой створки автоматических дверей сдавят попавший между ними объект.

Конструкционно динамометры бывают разные.

Самый простой вариант содержит пружину, которая растягивается под воздействием. На ее конце находится указатель и по его смещению можно судить о том, какая сила приложена.
Пружина может представлять собой свернутую «улиткой» ленту или полую трубку. Так, например, устроен манометр. Под действием газа спираль распрямляется и по степени деформации судят о показателях давления.
Аналогично — со спиральной пружиной — устроены и домашние кухонные весы «с чашечкой».

Что такое динамометр

Динамометр
(от греческого слова «динамис» — сила) — это прибор для измерения силы.

Существуют различные конструкции динамометров. Силу тяги тракторов, тягачей, буксиров и т. д. измеряют с помощью тяговых динамометров
(рис. 35).

Для измерения мышечной силы руки используют медицинский динамометр — силомер
(рис. 36).

На рисунке 37 изображен учебный пружинный динамометр
, рассчитанный на измерение сил до 4 Н. Он состоит из стальной пружины с указателем и крючком, прикрепленной к пластмассовому (в старых конструкциях к деревянному) основанию, на которое нанесена шкала (буква «N» на шкале динамометра — это международное обозначение ньютона).

Рисунок 35, 36, 37, 38. Различные виды динамометров.
Действие пружинного динамометра основано на уравновешивании измеряемой силы силой упругости пружины.

Градуирование
пружины динамометра (т. е. создание шкалы с делениями) можно осуществить следующим образом. К основанию динамометра (под пружиной) прикрепляют полоску белой бумаги. Затем отмечают положение указателя при нерастянутой пружине — это нулевое деление (рис. 38, а). После этого к крючку подвешивают груз массой 102 г. На этот груз действует сила тяжести 1 Н. Под действием этого груза пружина растягивается и указатель перемещается вниз. В положении равновесия сила тяжести, действующая на груз, уравновешивается противоположно направленной силой упругости.

Следовательно, растяжение пружины при этом будет соответствовать силе упругости, также равной 1 Н. Поэтому новое положение указателя отмечают на бумаге цифрой 1 (рис. 38,6).

Затем к первому грузу подвешивают еще один такой же, увеличивая тем самым общую массу до 204 г, а силу тяжести — до 2 Н. Соответствующее положение указателя отмечают цифрой 2. После этого прикрепляют третий, а затем четвертый груз, каждый раз отмечая положение указателя соответствующей цифрой.

Для того чтобы можно было измерять десятые доли ньютона, каждое из расстояний между отметками 0 и 1, 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 делят на десять равных частей. Такое построение шкалы возможно благодаря закону Гука , из которого следует, что сила упругости пружины увеличивается во столько же раз, во сколько раз увеличивается ее удлинение.

Динамометр можно применять и для измерения веса тела.

Весом
тела называют силу, с которой оно давит на горизонтальную опору или растягивает вертикальный подвес. Р — вес тела.Если к вертикально расположенному пружинному динамометру прикрепить груз, то после того, как груз растянет пружину и остановится, на крючок динамометра будут действовать две силы: сила упругости пружины F упр и вес груза Р. Эти силы будут противоположны по направлению, но равны по величине. Поэтому динамометр позволяет измерить не только силу упругости (и равную ей силу тяжести груза), но и вес тела Р.

Вес покоящегося, а также равномерно и прямолинейно движущегося (относительно Земли) тела равен действующей на него силе тяжести:
P = mg

Несмотря на совпадение формул, между силой тяжести и весом тела есть существенное различие. Сила тяжести приложена к телу, на которое действует Земля, а вес тела приложен к подвесу или опоре, на которую это тело давит. Если обе эти силы изобразить в виде стрелок, указывающих их направление (а направлены эти силы вертикально вниз), то это будет выглядеть так, как показано на рисунке 39.

Рисунок 39. Изображение силы тяжести и силы, приложенной к опоре (веса тела).

Вес тела не следует путать с его массой. Масса тела измеряется в килограммах, а вес тела (как и любая другая сила в физике) — в ньютонах. Вес тела имеет направление, а масса никакого направления не имеет.

Определение становой силы

В медицине динамометрические устройства применяются для определения силы, оценки работоспособности и выносливости человеческого организма. С помощью этих несложных приборов можно сделать достаточно точное заключение о состоянии мышц человека.

Для медицинских целей применяются в основном ручные динамометры и становые модели приборов!

Предлагаем ознакомиться Как устранить царапину на панели автомобиля

Вариант ручного динамометра определяет мышечную силу пальцев рук человека, сжимающего его своей кистью. Отсюда и второе название – кистевой. Данным прибором повсеместно пользуются физиотерапевты, чтобы оценивать в динамике восстановление мышечной силы пациента после перенесенной травмы. Кистевыми динамометрами широко пользуются в экспедиторских и транспортных компаниях при тестировании вновь принятых работников. Их применяют также в правоохранительных органах, МЧС и вооруженных силах, в организациях профессионального спорта и фитнес-клубах.

Сегодня выпускаются ручные приборы механической и электронной модификаций. Точность измерений с их помощью зависит от соблюдения человеком определенных правил при замерах.

Правила эти очень просты и состоят в следующем:

Вторую, свободную руку надо расслабить и опустить вниз.
Затем её нужно отвести в сторону и расположить перпендикулярно туловищу.
Руку с устройством следует вытянуть вперед.
Сжимать динамометр кистью следует по команде настолько сильно, насколько это возможно.

Из полученных результатов для каждой руки выбирается тот, который лучше!

При нарастании мышечной массы в процессе тренировок показатели, полученные с помощью динамометра, улучшаются.

Точные абсолютные показатели получить довольно трудно, так как на них влияет множество субъективных факторов. Поэтому в расчет берётся, как правило, величина относительной силы кистей рук. Для её вычисления измеренную динамометром силу в килограммах умножают на сто, а затем делят на вес тела человека. У людей, не занимающихся профессионально спортом, относительный показатель равен 45-50 единиц для женщин и 60-70 единиц — для мужчин.

С помощью становых динамометров можно протестировать на статическую силу и выносливость все мышцы, сгибающие и разгибающие корпус человека!

Становой прибор похож внешне на ножной эспандер. Его составные части – это рукоятка, подставка под ноги, трос, оснащенный датчиком измерительный прибор и отсчитывающее устройство.

Для измерения мышечной силы человеку нужно:

Встать обеими ногами на подножку прибора.
Наклонить корпус вперед, сгибаясь в пояснице.
Взяться на рукоять динамометра обеими руками.
Ноги в коленях при этом не сгибать.
Затем рукоятку прибора нужно потянуть вверх на себя изо всех сил.

Средней считается сила выпрямляющих тело мышц при значениях индекса от двухсот до двухсот тридцати. Индекс от 230 до 260 единиц свидетельствует о значениях выше среднего. А более двухсот шестидесяти – это показатели высокой разгибающей туловище силы.

Предлагаем ознакомиться Как измерить влажность воздуха в квартире: приборы для определения уровня влаги

меньше 170% – низкая;
от 170% до 200% – ниже средней;
от 200% до 230% – средняя;
от 230% до 250% – выше средней;
больше 260% – высокая.

Технические характеристики

К динамометру подвешен груз – многие так себе представляют функциональность этого аппарата. Однако на практике в большинстве случаев этот прибор работает благодаря силе рук человека. Наиболее часто используются динамометры серии ДК. В числе их основных параметров значатся:

Диапазон измерений – от 3 до 140 даН.
Предел допустимой погрешности – от 0,75 до 4 даН.
Цена деления прибора – от 0,5 до 2 даН.
Масса – от 170 до 250 грамм.

Что касается электронных кистевых экземпляров, то их характеристики таковы:

Максимальный предел измерений – до 120 даН.
Минимальный предел измерений – 2 даН.
Дискретность измерений – 0,5 даН.
Время отключения прибора в случае отсутствия эксплуатации – через 1 минуту.
Автономная установка нуля – есть.
Температура эксплуатации – от +10 до +35 градусов по Цельсию.

Становые динамометры производятся со следующими показателями:

Предел измерений – до 500 даН.
Цены шкалы – от 2 до 5 даН.

Примечательно, что эти приборы позволяют на ранней стадии диагностировать у детей и подростков проблемы с позвоночником и осанкой.

Виды силомерных инструментов – как они работают?

Механические инструменты такого вида делятся на пружинные и рычажные.

Ручной пружинный динамометр устроен так, что сила передается пружинам, они, в свою очередь, будут сжиматься и растягиваться, а направление уже будут создавать приложенные силы. После сжатий и растягиваний на приборе будут видны показатели. Вот они и будут основными величинами, именно их он и регистрирует.
В рычажных моделях деформация образуется с помощью установленного рычага.

Принцип работы гидравлического прибора основан на вымещениях измеряемой силой жидкостей из цилиндров. В конструкции имеется специальное цилиндрическое устройство, заполненное жидкостью. Когда на приспособлении создается усилие, то жидкость подступает к трубке и затем к аппарату, который записывает и регистрирует показатели. Таким нехитрым законом физики получилось создать довольно точный прибор.

А что же что измеряется динамометром электрического типа? Приборы такого вида состоят из датчиков, с их помощью преобразуется деформация от воздействий сил в электрические сигналы. Также имеются и дополнительные датчики, они усиливают и записывают электрические сигналы от первых датчиков. Если необходимо преобразовывать силы или силовые моменты в деформацию, то нужно пользоваться индуктивными, пьезоэлектрическими, тензорезисторными и вибрационно-частотными датчиками сопротивлений.

Когда будет создаваться силовой момент, то датчик тут же будет деформироваться, а токи моста сопротивлений будут меняться. У электрических сигналов силы всегда пропорциональны деформациям элементов, а значит, и силам воздействий. При помощи второго датчика будет усиливаться сигнал, а показатели будут записываться для следующей обработки.

Принцип работы тормозного измерителя силы основан на поглощении мощностей обследуемых агрегатов. Приборы такого типа отличаются конструктивными решениями, то есть могут быть установлены в тормоза разных видов. Это могут быть гидравлические тормоза Прони или электромагнитные, а с помощью двигателей определяется мощность. Во время работы происходит воздействие на вал, и вращательными усилиями или крутящими моментами происходит измерение прибором. Наиболее часто измеряется скорость вращений валов при помощи тахометра.

В приборах трансмиссионного типа установлено устройство – тензодатчик. Он тесно связан с приводным валом, с его же помощью происходит и измерение деформаций кручений. Деформации меняют электрические сопротивления на тензодатчике. Наиболее часто такими приборами пользуются на судовых двигателях.

Классификация

Мы изучили в целом, что такое динамометр в зависимости от назначения? Он может быть образцовым и медицинским.

Первые является эталонными приборами, основное предназначение которых заключается в измерении сил сжатия и растяжения статического характера во время ремонта и проверки рабочих стендов, а также испытательных машин. По своей конструкции эти динамометры состоят из тензодатчика силы, который сопряжен с цифровым измерителем.

Зачастую образцовые аппараты очень мало зависят от температуры и влажности окружающей среды, укомплектованы средствами самодиагностики и автоматической компенсацией искажения от воздействия с боков. Приборы долговечны, с малыми габаритами и отличаются высокой точностью. Образцовые динамометры имеют цифровые индикаторы. У них очень удобный для пользователей интерфейс и есть возможность подсоединиться к персональному компьютеру.

Особое внимание уделим медицинским динамометрам. Благодаря им можно определить показатели силы, выносливости, уровня работоспособности человека

Эти аппараты дают отличную возможность диагностировать состояние мышечной системы пациентов и отслеживать их восстановление после различных травм.

Динамометры электрические

В указанной конструкции имеется два датчика. Один (основной) преобразует возникающую деформацию в электросигнал. Второй, дополнительный, усиливает сигнал, полученный из первого, и записывает его в ОЗУ. В качестве основных датчиков используются индуктивные, тензорезисторные, пьезоэлектрические или вибрационно-частотные.

Весовая нагрузка деформирует датчик, в месте возникновения деформации возрастает сопротивление, что приводит к изменению силы тока. Последняя пропорциональна величине деформации и, соответственно, действующей на датчик силе. Модели электрических динамометров являются самыми высокоточными и обладают минимальными габаритами и весом.

Кроме классификации, приведённой выше, представленные на рынке динамометры подразделяют по их назначению на несколько больших групп, основными из которых являются: