Прилади для вимірювання сили

2. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТТЯ "СИЛА"

2.1 Історія поняття "сила"

2.2 Закони Ньютона

2.2.1 Перший закон Ньютона

2.2.2 Другий закон Ньютона

2.2.3 Третій закон Ньютона

2.3 Фундаментальні взаємодії

2.4 Гравітація

2.5 Рівнодійна сила

3. ОПИС ПРИЛАДІВ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ СИЛИ

3.1 Гравіметри

3.2 Динамометри

3.3 Прилад для вимірювання сили стискання

3.4 Амперметри

ВИСНОВОК

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, що дає можливість безпосередньо відлічувати значення вимірюваної величини. У аналогових вимірювальних приладах відлічування проводиться за шкалою, в цифрових - по цифровому відлікового пристрою. Показують вимірювальні прилади призначені тільки для візуального отсчітиванія показань, реєструючі вимірювальні прилади мають пристрій для їх фіксації, найчастіше на папері. Реєструючі вимірювальні прилади поділяються на самописні, що дозволяють отримувати запис свідчень у вигляді діаграми, і друкують, щоб забезпечити друкування показань у цифровій формі. У вимірювальних приладах прямої дії (наприклад, манометрі, амперметр) здійснюється одне або декілька перетворень вимірюваної величини, і значення її знаходиться без порівняння з відомою однойменною величиною. У вимірювальних приладах порівняння безпосередньо порівнюється вимірювана величина з однойменної величиною, що відтворюється мірою (приклади - равноплечние ваги, електровимірювальний потенціометр, компаратор для лінійних заходів). До різновидів вимірювальних приладів відносяться інтегруючі вимірювальні прилади, в яких підводиться величина піддається інтегруванню за часом або за іншою незалежною змінною (електричні лічильники, газові лічильники), і підсумовують вимірювальні прилади, що дають значення двох або декількох величин, що підводяться по різних каналах (ватметрів, суммирующий потужності кількох електричних генераторів).

З метою автоматизації управління технологічними процесами вимірювальні прилади часто забезпечуються додатковими регулюючими, лічильно-вирішальними і керуючими пристроями, діючими по заданим програмам.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ВИМІРЮВАНЬ

1.1 Термінологія

Знання метрологічної термінології, параметрів вимірюваних сигналів і прийняту в нашій країні системи одиниць вимірювання фізичних величин допомагає успішно виконувати вимірювання і вивчати літературу, присвячену вимірам фізичних величин і вимірювальних приладів.

Основні метрологічні терміни:

Метрологія - наука про вимірювання, методи і засоби забезпечення їх єдності та способи досягнення необхідної точності.

Вимірювання - знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Пряме вимірювання - вимірювання, при якому шукане значення величини знаходять безпосередньо з досвідчених даних. Наприклад: вимірювання напруги за допомогою вольтметра.

Непряме вимірювання - вимірювання, при якому шукане значення величини знаходять на підставі відомої залежності між цією величиною і величинами, піддається прямому вимірам. Наприклад: вимірювання електричної потужності постійного струму за допомогою вольт-і амперметра (P = UI).

Істинне значення фізичної величини - значення фізичної величини, яке ідеальним чином відображає в якісному і кількісному відносинах відповідне властивість даного об'єкта. Істинне значення практично недосяжне.

Дійсне значення фізичної величини - значення, отримане експериментальним шляхом і настільки наближається до істинного значення, що для даної мети може бути використане замість нього.

Засіб вимірювань - технічний засіб, що використовується при вимірах і має нормовані метрологічні характеристики. Метрологічними називають характеристики, які впливають на результат і похибку вимірювання (наприклад, робочий діапазон частот, кліматичні умови тощо).

Похибка вимірювання - відхилення результату вимірювання від істинного значення вимірюваної величини.

Похибка вимірювального приладу - різниця між показанням приладу і щирим значенням вимірюваної величини

Точність вимірів - якість вимірювання, що відображає близькість його результатів до істинного значення вимірюваної величини. Висока точність вимірів відповідає малим погрішностей.

Результат вимірювання - значення величини, знайдене шляхом її вимірювання. Вимірювання може бути одноразовим, і тоді показник засобу вимірювань є результатом вимірювання, і багаторазовим - в цьому випадку результат вимірювання знаходять шляхом статистичної обробки результатів кожного спостереження.

Показання засоби вимірювань - це значення вимірюваної величини, що визначається за відлікового пристрою засоби вимірювання і виражене в прийнятих одиницях цієї величини. Для знаходження показання приладу Хпр. необхідно величину відліку N помножити на ціну поділки шкали k: Хп .= kN. Ціна поділки шкали відповідає інтервалу між двома сусідніми позначками шкали, висловленим у значеннях вимірюваної величини.

Принцип вимірювання - сукупність фізичних явищ, на яких засновано даний вимір.

Метод вимірювання - сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювань.

1.2 Класифікація засобів вимірювань

У силу великої розмаїтості засобів вимірювання існує досить широкий набір їх класифікаційних ознак. Розглянемо основні.

За функціональним призначенням усі засоби вимірювання поділяються на:

Міра - засіб вимірювань, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру.

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації (тобто сигналу, що містить кількісну інформацію про вимірювану фізичної величиною) у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Вимірювальний перетворювач - засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, обробки і зберігання, але не забезпечує безпосереднє сприйняття спостерігачем. Найбільш численною групою засобів вимірювань є вимірювальні прилади і перетворювачі, які узагальнено називають вимірювальними пристроями.

Допоміжний засіб вимірювання - засіб вимірювання величин, що впливають на метрологічні характеристики іншого засобу вимірювання при його застосуванні.

Вимірювальна установка - сукупність функціонально об'єднаних засобів вимірювань, призначена для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для безпосереднього сприйняття спостерігачем, і розташована в одному місці.

Вимірювальна система - сукупність засобів вимірювань, з'єднаних між собою каналом загального користування (КОП) і призначена для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки. Створення інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) пов'язане з новим етапом розвитку вимірювальної техніки - побудова автоматизованих ІВС на базі радіовимірювальних приладів загального застосування.

За принципом вимірювань розрізняють електровимірювальні та радіовимірювальні прилади.

Електровимірювальні прилади застосовуються для вимірювань на постійному струмі і в області низьких частот (20 - 2500 Гц) струмів, напруг, електричних потужностей, частоти, фазових зрушень, опорів, ємностей та інших величин, що характеризують режим роботи електричних ланцюгів і параметри їх елементів. Позначення таких приладів складається з літери російського алфавіту, що характеризує тип вимірювального механізму, і числа, що визначає вид і тип приладу: Д - електродинамічні; І - індукційні; М - магнітоелектричні; Н - самописні; Р - заходи, вимірювальні перетворювачі, прилади для вимірювання параметрів елементів електричних ланцюгів; С - електростатичні; Т - термоелектричні; Ф - електронні, фотоелектронні, цифрові; Ц - випрямні і комбіновані; Е - електромагнітні. Наприклад: С197 - кіловольтметри електростатичний. До позначення можуть додаватися літери М (модернізований), К (контактний) та інші, що відзначають конструктивні особливості або модифікації приладів.

Радіовимірювальні прилади застосовуються для вимірювання різноманітних електричних та радіотехнічних величин як на постійному струмі, так і в широкому діапазоні частот, а також для спостереження і дослідження форми радіосигналів і характеристик радіоелектронних пристроїв, генерації випробувальних сигналів і живлення вимірювальних пристроїв. Система позначень даних приладів відповідає ГОСТ 15094-86 і складається з: літери російського алфавіту, що визначає характер вимірювань і вид вимірюваних величин; цифри (від 1 до 9), що позначає тип вимірювального приладу, і через дефіс n-значного числа (n = 1, 2, 3), що вказує порядковий номер моделі. Наприклад: В7-65 - вольтметр (підгрупа В) універсальний (тип В7) моделі номер 65. У позначенні приладів, які зазнали модернізації, після номера моделі додається російська буква в алфавітному порядку (наприклад, В7-65А); для позначення приладів з однаковими електричними характеристиками, які відрізняються лише конструктивним виконанням, використовується додаткова цифра, яка пишеться через дріб після номера моделі (наприклад , В7-65 / 1). Багатофункціональні прилади можуть мати в позначенні типу додаткову літеру "К" (наприклад, СК6-13).

А Прилади для вимірювання сили струму

Б Джерела живлення для вимірювань і вимірювальних приладів

В Прилади для вимірювання напруги

Г Генератори вимірювальні

Д Атенюатори та прилади для вимірювання ослаблень

Е Прилади для вимірювання параметрів компонентів і ланцюгів із зосередженими постійними

І Прилади для імпульсних вимірювань

До Комплексні вимірювальні установки

Л Прилади загального застосування для вимірювання параметрів електронних ламп і напівпровідникових приладів

М Прилади для вимірювання потужності

Н Заходи та калібратори

П Прилади для вимірювання напруженості поля і радіоперешкод

Р Прилади для вимірювання параметрів елементів і трактів з розподіленими постійними

З Прилади для спостереження, вимірювання і дослідження форми сигналу і спектру

У Підсилювачі вимірювальні

Ф Прилади для вимірювання фазового зсуву та групового часу запізнювання

Х Прилади для спостереження та дослідження характеристик радіопристроїв

Ц Аналізатори логічних пристроїв

Ч Прилади для вимірювання частоти і часу

Ш Прилади для вимірювання електричних і магнітних властивостей матеріалів

Е Вимірювальні пристрої коаксіальних і хвилеводних трактів

Я Блоки радіовимірювальних приладів

За методом вимірювань вимірювальні пристрої бувають прямої дії, що реалізують метод безпосередньої оцінки, і пристрої використовують метод порівняння.

Найпростішим є метод безпосередньої оцінки, у якому значення вимірюваної величини визначають безпосередньо по відлікового пристрою вимірювального приладу.

Найбільш точним є метод порівняння вимірюваної величини з однорідною незалежної відомої величиною. За способом здійснення метод порівняння може бути нульовим, диференціальним, методом заміщення, методом збігу. При нульовому методі (інакше методі компенсації) результуючий ефект впливу обох величин на вимірювальний прилад доводять до нуля. При диференціальному методі на вимірювальний прилад впливає різниця вимірюваної і відомої величин. При методі заміщення вимірювану величину заміщують (замінюють) однорідної з нею величиною відомого розміру, який дорівнює розміру заміщений величини, що визначається за збереження режиму в вимірюваного ланцюга. При методі збігу рівність значень вимірюваної і відомої величин фіксується за збігом відміток шкал, сигналів або іншими ознаками.

По точності вимірювань вимірювальні засоби можна розділити на: еталони, зразкові та робочі засоби вимірювань.

Еталон одиниці - це засіб вимірювань, що забезпечує відтворення і (або) зберігання одиниці фізичної величини з метою передачі її розміру зразковим і робочим засобам вимірювань.

Зразкове засіб вимірювань - міра або вимірювальний пристрій, що служать для повірки по них інших засобів вимірювань і затверджені в якості зразкових.

Робоче засіб вимірювань - засіб застосовується для вимірювань, не пов'язаних з передачею розміру одиниці.

За способом обробки сигналу вимірювальної інформації прилади поділяються на аналогові та цифрові.

У аналогових приладах показання є безперервною функцією розміру вимірюваної величини, тобто можуть, як і вимірювана величина, приймати нескінченна безліч значень.

У цифрових приладах безперервна вимірювана величина діскретізіруется за часом, квантуется за рівнем, кодується і у вигляді цифрового коду відображається на цифровому відліком пристрої. У результаті показання цифрового обладнання може приймати лише кінцеве число значень.

Цифрові засоби вимірювання забезпечують, як правило, більшу точність та швидкодію. Однак не завжди цифровий пристрій краще аналогового. При великому числі одночасно вимірюваних величин (контроль складного об'єкта) або при динамічній зміні вхідної величини свідчення аналогових приладів сприймаються легше, забезпечуючи оперативність аналізу контрольованого процесу. Тому для підвищення інформативності відлікові пристрої сучасних цифрових приладів можуть доповнюватися, так званими, лінійними шкалами - певним чином розташованими сегментами на цифровому індикаторі.

За способом відображення результату вимірювання аналогові і цифрові прилади прийнято розділяти на показують, що допускають тільки відлік показань, та реєструючі, в яких передбачена можливість автоматичного і (або) ручної реєстрації показань.

За способом застосування і по конструкції вимірювальні пристрої діляться на: щитові, переносні (портативні) і стаціонарні.

1.3 Похибки вимірювань і вимірювальних приладів

Відхилення результату вимірювання від істинного значення вимірюваної величини є похибкою вимірювання.

Абсолютна похибка вимірювання (Δ зм.) - Різниця між дійсним і істинним значеннями вимірюваної величини: Δ ізм .= ХД. - Хі.

Відносна похибка вимірювання (δ зм.) - Відношення абсолютної похибки вимірювання до істинного значення вимірюваної величини, виражене в%:

(1.1)

Для проведення будь-якого вимірювання необхідно правильно вибрати метод вимірювання, засіб вимірювання та виконавця (оператора), щоб отриманий результат був максимально наближений до істинного значення вимірюваної величини. В іншому випадку з'являються методичні, інструментальні чи суб'єктивні похибки вимірювань.

Інструментальні похибки вимірювань залежать від похибок застосовуваних засобів вимірювань.

Абсолютна похибка вимірювального приладу (Δ пр.) - різниця між показанням приладу і дійсним значенням вимірюваної величини: Δ пр. = Хпр. - ХД.

Відносна похибка вимірювального приладу (δ пр.) - відношення абсолютної похибки приладу до дійсного (або виміряного, Хпр.) Значенню величини, виражене в%:

(1.2)

Значення відносної похибки залежить від значення вимірюваної величини - при постійній пр. вона зростає зі зменшенням Хпр .. Тому максимальна точність вимірювань забезпечується, коли показання приладу знаходиться в другій половині діапазону вимірювань. Діапазон вимірювань - область значень вимірюваної величини, для якої нормовані допустимі похибки приладу. Похибкою вважається похибка приладу, при якій він може бути визнаний придатним і допущений до застосування.

Для порівняльної оцінки точності вимірювальних пристроїв користуються поняттям зведеної похибки приладу (γ пр.), під якою розуміють виражене в% відношення абсолютної похибки приладу до нормуюче значення шкали:

(1.3)

В якості X _N найчастіше використовують кінцеве значення діапазону вимірювань.

Похибка, властива вимірювального приладу при його експлуатації в нормальних умовах, називається основною похибкою. Для більшості засобів вимірювань нормальними умовами експлуатації вважаються наступні: температура навколишнього середовища 20 ± 5 ° С, відносна вологість 65 ± 15%, напруга живлення 220 В ± 10% з частотою 50 ± 1 Гц. При відхиленні умов експлуатації від нормальних (при робочих умовах) з'являються додаткові похибки.

Похибки деяких вимірювальних приладів залежать від поточного значення вимірюваної величини Хпр., Тому похибки таких приладів представляють двочленних виразами, в яких перший доданок не залежить від Хпр. (Адитивна похибка), а друге залежить (мультиплікативна похибка):

, (1.4)

де a, b - постійні числа;

, (1.5)

де Хк. - Верхня межа вимірювань приладу;

c, d - постійні числа у%, причому

, (1.6)

Прояв похибок вимірювань і засобів вимірювань може носити систематичний і (або) випадковий характер.

Систематична похибка - це складова похибки, що залишається постійною або закономірно змінюється при повторних вимірах одного і того ж значення фізичної величини.

Випадкова похибка - складова похибки, що змінюється випадковим чином при повторних вимірах одного і того ж значення фізичної величини. Для виключення з результату вимірювання випадкової похибки проводять багаторазові вимірювання та їх статистичну обробку.

1.4 Загальні рекомендації по підбору засобів вимірювань

Засіб вимірювань в залежності від його призначення й області застосування повинно відповідати певним вимогам, з яких найбільш загальними є наступні:

Діапазон вимірювань повинен охоплювати всі практично необхідні значення вимірюваної величини;

Основна і додаткова похибки повинні відповідати розв'язуваним при вимірах завданням;

Прилади, призначені для вимірювання режиму електричних ланцюгів і параметрів радіосигналів, не повинні суттєво впливати на роботу досліджуваних пристроїв. Для цього використовується послідовна або паралельна схема підключення, або режим узгодженої навантаження;

Прилад повинен надійно працювати при заданих умовах експлуатації, що досягається застосуванням сучасної елементної бази та високотехнологічним монтажем. Використання передової SMТ-технології значно підвищує коефіцієнт надійності сучасного вимірювального обладнання;

Управління приладом повинно бути максимально простим і зручним для користувача;

В епоху глобальної комп'ютеризації бажано мати прилад з можливістю підключення до комп'ютера (наприклад, через RS-232);

Прилад повинен задовольняти вимогам техніки безпеки при вимірах;

Якщо засіб вимірювання передбачається використовувати у сфері діяльності метрологічного контролю, то воно в обов'язковому порядку має мати сертифікат про затвердження типу засобів вимірювань Держстандарту Росії.

Актуальність останнього пункту для імпортних засобів вимірювання диктується часом: вітчизняна радіоелектронна промисловість переживає істотний спад, тому для насичення російського ринку високоякісним вимірювальним обладнанням необхідно, в першу чергу, забезпечити його метрологічний контроль. Завдання щодо внесення засобів вимірювань до Держреєстру вимагає великих фінансових і тимчасових витрат, при цьому орган сертифікації підтверджує заявлені виробником метрологічні характеристики і перевіряє їх відповідність російським стандартам. У зв'язку з цим далеко не всі постачальники імпортного обладнання забезпечують сертифікацію пропонованих засобів вимірювань.

2. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТТЯ "СИЛА"

2.1 Історія поняття "сила"

Сі ла - векторна фізична величина, що є мірою інтенсивності взаємодії тіл. Прикладена до масивного тіла сила є причиною зміни його швидкості або виникнення в ньому деформацій.

Сила, як векторна величина, характеризується модулем і напрямом. Другий закон Ньютона говорить, що в інерційних системах відліку прискорення руху матеріальної точки збігається за напрямком з прикладеною силою; по модулю прямо пропорційно модулю сили і обернено пропорційно масі матеріальної точки. Або, що еквівалентно, в інерційних системах відліку швидкість зміни імпульсу матеріальної точки дорівнює прикладеній силі. Деформації є наслідком виникнення в тілі внутрішніх напружень.

Поняття сили використовували ще вчені античності у своїх роботах про статиці та рух. Вивченням сил у процесі конструювання простих механізмів займався в III ст. до н. е.. Архімед. Уявлення Аристотеля про силу, пов'язані з фундаментальними невідповідностями, проіснували протягом кількох століть. Ці невідповідності усунув у XVII ст. Ісаак Ньютон, використовуючи для опису сили математичні методи. Механіка Ньютона залишалася загальноприйнятою протягом майже трьохсот років. До початку XX ст. Альберт Ейнштейн у теорії відносності показав, що ньютонівська механіка вірна лише в при порівняно невеликих швидкостях руху і масах тіл у системі, уточнивши тим самим основні положення кінематики і динаміки і описавши деякі нові властивості простору-часу.

З точки зору Стандартної моделі фізики елементарних частинок фундаментальні взаємодії (гравітаційне, слабке, електромагнітне, сильне) здійснюються за допомогою обміну так званими калібрувальними бозонами. Експерименти з фізики високих енергій, проведені в 70-80-х рр.. XX ст. підтвердили припущення про те, що слабке й електромагнітне взаємодії є проявами більш фундаментального електрослабкої взаємодії.

Розмірність сили в системах величин LMT - dim F = L M T -2, одиниця сили в Міжнародній системі одиниць (СІ) - ньютон (N, Н).

2.2 Закони Ньютона

Ісаак Ньютон задався метою описати рух об'єктів, використовуючи поняття інерції і сили. Зробивши це, він попутно встановив, що всяке механічний рух підкоряється загальним законам збереження. У 1687 р. Ньютон опублікував свою знамениту працю "Математичні начала натуральної філософії", в якому виклав три основоположних закону класичної механіки (знамениті закони Ньютона).

2.2.1 Перший закон Ньютона

Перший закон Ньютона стверджує, що існують системи відліку, в яких тіла зберігають стан спокою або рівномірного прямолінійного руху при відсутності дій на них з боку інших тіл або при взаємній компенсації цих дій. Такі системи відліку називаються інерційних. Ньютон припустив, що кожен масивний об'єкт має певний запас інерції, який характеризує "природний стан" руху цього об'єкта. Ця ідея заперечує погляд Аристотеля, який розглядав спокій "природним станом" об'єкта. Перший закону Ньютона суперечить арістотелівської фізики, одним з положень якої є твердження про те, що тіло може рухатися з постійною швидкістю лише під дією сили. Той факт, що в механіці Ньютона спокій фізично не відрізняється від рівномірного прямолінійного руху, є обгрунтуванням принципу відносності Галілея. Серед сукупності тел принципово неможливо визначити які з них знаходиться "в русі", а які "спочивають". Говорити про рух можна лише щодо будь-якої системи відліку. Закони механіки виконуються однаково в усіх інерційних системах відліку, іншими словами всі вони механічно еквівалентні. Останнє випливає з так званих перетворень Галілея.

Наприклад, закони механіки абсолютно однаково виконуються в кузові вантажівки, коли той їде по прямій ділянці дороги з постійною швидкість і коли стоїть на місці. Людина може підкинути м'ячик вертикально вгору і зловити його через деякий час на тому ж самому місці незалежно від того чи рухається вантажівка рівномірно і прямолінійно чи спочиває. Для нього м'ячик летить по прямій. Однак для стороннього спостерігача, що знаходиться на землі, траєкторія руху м'ячика має вигляд параболи. Це пов'язано з тим, що м'ячик щодо землі рухається під час польоту не тільки вертикально, але і горизонтально по інерції у бік руху вантажівки. Для людини, що знаходиться в кузові вантажівки не має значення чи рухається останній по дорозі, або навколишній світ переміщається з постійною швидкістю в протилежному напрямі, а вантажівка стоїть на місці. Таким чином, стан спокою і рівномірного прямолінійного руху фізично не відрізняються один від одного.

2.2.2 Другий закон Ньютона

Хоча другий закон Ньютона традиційно записують у вигляді: F = ma, сам Ньютон записував його трохи інакше, використовуючи диференціальне числення.

Другий закон Ньютона в сучасному формулюванні звучить так: в інерціальній системі відліку швидкість зміни імпульсу матеріальної точки дорівнює векторній сумі всіх сил, що діють на цю точку.

Вважається, що це "друга сама відома формула у фізиці", хоча сам Ньютон ніколи явно не записував свій другий закон у цьому виді.

Оскільки в будь-інерціальній системі відліку прискорення тіла однаково і не змінюється при переході від однієї системи до іншої, то й сила інваріантна по відношенню до такого переходу.

У всіх явищах природи сила, незалежно від свого походження, виявляється тільки в механічному сенсі, тобто як причина порушення рівномірного і прямолінійного руху тіла в інерціальній системі координат. Протилежне твердження, тобто встановлення факту такого руху, не свідчить про відсутність діючих на тіло сил, а лише про те, що дії цих ці ​​сил взаємно врівноважуються. Інакше: їх векторна сума є вектор з модулем, рівним нулю. На цьому грунтується вимірювання величини сили, коли вона компенсується силою, величина якої відома.

Другий закон Ньютона дозволяє вимірювати величину сили. Наприклад, знання маси планети і її доцентровий прискорення при русі по орбіті дозволяє обчислити величину сили гравітаційного тяжіння, що діє на цю планету з боку Сонця.

2.2.3 Третій закон Ньютона

Для будь-яких двох тіл (назвемо їх тіло 1 і тіло 2) третій закон Ньютона стверджує, що будь-яка сила, яка обумовлена ​​дією тіла 1 на тіло 2, супроводжується появою рівної по модулю, але протилежної за напрямком сили, що діє на тіло 2 з боку тіла 1. Математично закон записується так:

(2.1)

Цей закон означає, що сили завжди виникають парами "дія-протидія". Якщо тіло 1 і тіло 2 знаходяться в одній системі, то сумарна сила в системі, обумовлена ​​взаємодією цих тіл дорівнює нулю:

(2.2)

Це означає, що в замкнутій системі не існує незбалансованих внутрішніх сил. Це призводить до того, що центр мас замкнутої системи (тобто тієї, на яку не діють зовнішні сили) не може рухатися з прискоренням. Окремі частини системи можуть прискорюватися, але лише таким чином, що система в цілому залишається в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Проте в тому випадку, якщо зовнішні сили подіють на систему, то її центр мас почне рухатися з прискоренням, пропорційним зовнішньої результуючої силі і обернено пропорційним масі системи.

2.3 Фундаментальні взаємодії

Всі сили в природі засновані на чотирьох типах фундаментальних взаємодій. Максимальна швидкість розповсюдження всіх видів взаємодії дорівнює швидкості світла у вакуумі. Електромагнітні сили діють між електрично зарядженими тілами, гравітаційні - між масивними об'єктами. Сильні й слабкі виявляються тільки на дуже малих відстанях, вони відповідальні за виникнення взаємодії між субатомних часток, включаючи нуклони, з яких складаються атомні ядра.

Інтенсивність сильної і слабкої взаємодії ізмеряетя в одиницях енергії (електрон-вольтах), а не одиницях сили, і тому застосування до них терміну "сила" пояснюється бере з античності традицією пояснювати будь-які явища в навколишньому світі дією специфічних для кожного явища "сил".

Поняття сили не може бути застосовано по відношенню до явищ субатомного світу. Це поняття з арсеналу класичної фізики, що асоціюється (нехай навіть тільки підсвідомо) з ньютоновскими уявленнями про сили, що діють на відстані. У субатомній фізиці таких сил вже немає: їх замінюють взаємодії між частинками, що відбуваються за посередництвом полів, тобто якихось інших часток. Тому фізики уникають вживати слово сила, замінюючи його словом взаємодію.

Кожен вид взаємодії обумовлений обміном відповідних переносників взаємодії: гравітаційна - обміном гравітонів (існування не підтверджено експериментально), електромагнітне - віртуальних фотонів, слабке - векторних бозонів, сильне - пімезонов. В даний час електромагнітне і слабка взаємодії об'єднані в більш фундаментальне електрослабкої взаємодію. Робляться спроби об'єднання всіх чотирьох фундаментальних взаємодія в одне (так звана теорія великого об'єднання).

Все різноманіття проявляють себе в природі сил в принципі може бути зведене до цих чотирьох фундаментальних взаємодій. Наприклад, тертя - це прояв електромагнітних сил, що діють між атомами двох дотичних поверхонь, та принципу заборони Паулі, який не дозволяє атомам проникати в область один одного. Сила, що виникає при деформації пружини, описувана законом Гука, також є результатом дії електромагнітних сил між частками і принципу заборони Паулі, змушують атоми кристалічної решітки речовини утримуватися біля положення рівноваги.

Однак на практиці виявляється не тільки недоцільною, а й просто неможливою за умовами задачі подібна деталізація розгляду питання про дію сил.

2.4 Гравітація

Гравітація (сила тяжіння) - універсальна взаємодія між будь-якими видами матерії. У рамках класичної механіки описується законом всесвітнього тяжіння, сформульованим Ісааком Ньютоном в його праці "Математичні начала натуральної філософії". Ньютон одержав величину прискорення, з яким Місяць рухається навколо Землі, поклавши при розрахунку, що сила тяжіння зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від тяжіє тіла. Крім цього, їм же було встановлено, що прискорення, обумовлене тяжінням одного тіла іншим, пропорційно добутку мас цих тіл. На підставі цих двох висновків був сформульований закон тяжіння: будь-які матеріальні частинки притягуються у напрямку один до одного з силою, прямо пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:

(2.3)

Тут G - гравітаційна постійна, значення якої вперше отримав в своїх дослідах Генрі Кавендіш. Використовуючи цей закон, можна отримати формули для розрахунку сили тяжіння тіл довільної форми. Теорія тяжіння Ньютона добре описує рух планет Сонячної системи і багатьох інших небесних тіл. Однак, в її основі лежить концепція дальнодії, що суперечить теорії відносності. Тому класична теорія тяжіння непридатна для опису руху тіл, що переміщаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, гравітаційних полів надзвичайно масивних об'єктів (наприклад, чорних дір), а також змінних полів тяжіння, створюваних рухомими тілами, на великих відстанях від них.

Більш загальною теорією гравітації є загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна. У ній гравітація не характеризується силою. Замість цього вільний рух тіл у гравітаційному полі, сприймається спостерігачем як рух по викривленим траєкторіях у тривимірному просторі-часу зі змінною швидкістю, розглядається як рух за інерцією по прямій лінії у викривленому чотиривимірному просторі-часі, в якому час в різних точках тече по-різному . Причому це викривлення таке, що просторово-часовий проміжок між двома просторово-тимчасовими положеннями даного тіла мінімальний. Викривлення простору залежить від маси тіл, а також від всіх видів енергії, присутніх в системі.

2.5 Рівнодійна сила

Рівнодійна сила - геометрична сума всіх сил, що діють на тіло. При цьому дія кожної сили не залежить від дії інших, тобто кожна сила повідомляє тілу таке прискорення, яке вона повідомила б у відсутність дії інших сил. Це твердження носить назву принципу незалежності дії сил.

При розрахунку прискорення тіла всі діючі на нього сили замінюють однією силою, званої рівнодіючої.

3. ОПИС ПРИЛАДІВ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ СИЛИ

3.1 Гравіметри

Малюнок 1 - Гравіметри

Згідно загальноприйнятим визначенням, гравіметрії (від лат. Gravis - важкий і ... метр), прилад для відносного вимірювання прискорення сили тяжіння. Більшість гравіметрів представляє собою точні пружинні або крутильні ваги. За допомогою таких гравіметрів вимірюють різниці прискоренні сили тяжіння по зміні деформації пружини або кута закручування пружною нитки, що компенсують силу тяжіння невеликого грузика. Виміри проводяться послідовно на вихідному пункті, для якого прискорення сили тяжіння відомо, і на досліджуваному пункті. Основні труднощі у створенні гравіметра полягає в необхідності забезпечити точне вимірювання малих пружних деформації в польових умовах. Застосовуються оптичні, фотоелектричні, ємнісні, індукційні та інші способи їх реєстрації. Застосовуються гравіметри засновані на вимірюваннях зміни частоти коливань струни, до нижнього кінця якої підвішується маса, або зміни швидкості прецесії гіроскопічних приладів внаслідок різних значенні сили тяжіння на гравіметричних пунктах.

3.2 Динамометри

Малюнок 2 - Динамометр

Згідно загальноприйнятим визначенням, Динамометр (від динамо ... і ... метр), прилад для вимірювання сили або моменту, складається з силового ланки (пружного елемента) і відлікового пристрою. У силовому ланці динамометра вимірюване зусилля перетворюється на деформацію, яка безпосередньо або через передачу повідомляється відлікового пристрою. Динамометром можна вимірювати зусилля від декількох н (часток кгс) до 1 Мн (100 тс). За принципом дії розрізняють динамометри механічні (пружинні або важільні), гідравлічні та електричні. Іноді в одному динамометрі використовують два принципи. За призначенням динамометри поділяють на зразкові і робочі (загального призначення і спеціальні). Зразкові динамометри. призначені для повірки та градуювання робочих динамометрів і контролю зусиль машин при випробуванні механічних властивостей різних матеріалів і виробів. За ступенем точності розрізняють зразкові динамометри 1-го, 2-го і 3-го розрядів. Динамометри 1-го розряду призначаються для перевірки зразкових динамометрів 2-го розряду, які, у свою чергу, застосовуються для повірки та градуювання динамометрів 3-го розряду і повірки динамометрів загального призначення. Динамометри 3-го розряду служать для повірки та градуювання випробувальних машин і приладів, виготовляються з пружними елементами у вигляді замкнутих скоб, що працюють в основному на вигин, і замкнутих скоб або стрижнів, що зазнають деформацію стиснення або розтягнення.

3.3 Прилад для вимірювання сили стискання

Прилад для вимірювання сили стискання - вимірювальний прилад, призначений для вимірювання сили (см.сіла) стиснення стулок автоматично закриваються систем, таких як двері автобусів, трамваїв, вагонів потягів, метро, ​​а також двері пасажирських і вантажних ліфтів, гаражні ворота, автомобільні вікна, зрушуються люки на даху і т. п., які можуть, у разі неправильної юстування, стати причиною травмування людей. Для запобігання подібних випадків, впроваджені законодавчі Приписи, які встановлюють технічні Норми, що визначають межі сил стиснення в закриття системах. Ці норми приведені на сторінці [1]. Дані Норми обов'язкові у всіх країнах Європейського союзу, а також використовуються в США, Японії, Китаї, Саудівській Аравії, Австралії та інших країнах світу. У Росії такі перевірки здійснюються при експлуатації нового залізничного експресу InterCityExpress (ICE) Москва-Петербург (розробка фірми Siemens AG і Bombardier), а також в петербурзькому філіалі автобусної фірми "Scania AB". Прилад складається з сенсора-приймача механічного тиску та електронного блоку для перетворення, обробки, оцінки та збереження вимірюваних величин. Залежно від галузі застосування, діапазону сил та інших вимог норм, найбільш відомі наступні типи приладів: BIA Kl .1 - система для вимірювання та оцінки сили стискання дверей автобусів, трамваїв, метро та залізничних вагонів. Діапазон вимірюваних сил: від 10 до 300 ньютон (пружинна константа - 10 N / mm (Ньютон / міліметр)). За допомогою цього приладу проводиться вимірювання сили стискання на відповідність стандартів: 2001/85 / EG (для автобусних дверей), prEN 14752 (для дверей рейкових транспортних засобів), FM 100 - система для вимірювання та оцінки сил стиснення дверей і воріт. Діапазон вимірюваних сил: від 2 до 2000 ньютон, (пружинна константа 500 N / mm). За допомогою цієї системи проводиться вимірювання сили стискання закриття дверей і воріт на відповідність стандартам: EN 12453/12445. FM 200 - система для вимірювання та оцінки сил стиснення автоматично закриваються вікон, верхніх люків і багажників в автомобілях. Діапазон вимірюваних сил: від 2 до 300 ньютон, (пружинна константа 10, 20, 65, 100 N / mm). За допомогою даної системи проводиться вимірювання сили стискання автомобільних закриваються систем на відповідність стандартам: 2000 / 4 / EG, FMVSS 118, 74/60 EWG. FM 300 - система для вимірювання та оцінки сил стиснення закриття дверей пасажирських ліфтів. Діапазон вимірюваних сил: від 2 до 750 ньютон, (пружинна константа 25 N / mm). За допомогою даної системи проводиться вимірювання сили стискання зовнішніх і внутрішніх дверей пасажирських ліфтів на відповідність стандартам: EN 81-1, EN 953. Ці системи, спільно з універсальним, компактним електронним блоком, забезпечують вимірювання сил в статичному і динамічному режимах, з похибкою не більше + / - 3,0%. Збережені в електронному блоці результати вимірювань, далі обробляються на комп'ютері за допомогою спеціальної програми "Pinch Pilot".

3.4 Амперметр

Малюнок 3 - Амперметр

Амперме тр - прилад для вимірювання сили струму в амперах. Шкалу амперметрів градуюють в мікроампера, міліамперах, амперах або кілоампер відповідно з межами виміру приладу. В електричне коло амперметр включається послідовно з тією ділянкою електричного кола, силу струму в якому вимірюють; для збільшення межі вимірювань - з шунтом або через трансформатор. (Прикладом амперметра з трансформатором є "струмові кліщі")

Загальна характеристика.

Найпоширеніші амперметри, в яких рухома частина приладу зі стрілкою повертається на кут, пропорційний вимірюваній величині струму.

Амперметри бувають магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, теплові, індукційні, детекторні, термоелектричні та фотоелектричні.

Магнетоелектричними амперметрами вимірюють силу постійного струму; індукційними і детекторними - силу змінного струму; Амперметри інших систем вимірюють силу будь-якого струму. Найбільш точними і чутливими є магнітоелектричні та електродинамічні амперметри.

Принцип дії магнітоелектричного приладу заснований на створенні обертального моменту завдяки взаємодії між полем постійного магніту і струмом, що проходить крізь обмотку рамки. З рамкою з'єднана стрілка, яка переміщується по шкалі. Кут повороту стрілки пропорційний силі струму.

Електродинамічні амперметри складаються з нерухомої і рухомої котушок, з'єднаних паралельно або послідовно. Взаємодія між струмами, що проходять крізь котушки, викликає відхилення рухомої котушки і з'єднаної з нею стрілки. В електричному контурі амперметр послідовно з навантаженням, а при високій напрузі, великих струмах - через трансформатор.

ВИСНОВОК

Історія наук, які потребують вимірах, показує, що точність методів вимірювань і вимірювальних приладів та побудови відповідних вимірювань і вимірювальних приладів постійно зростають. Результатом цього зростання є нове формулювання законів природи.

Вимірювання та вимірювальні прилади - закони явищ природи, як вираження кількісних відносин між факторами явищ, виводяться на підставі вимірів цих факторів. Прилади пристосовані до таких вимірів, називаються вимірювальними. Будь-яке вимірювання, якою б не було складності, зводиться до вимірювань і вимірювальних приладів просторовості, часу, руху і тиску, для чого можуть бути обрані одиниці заходів умовні, але постійні або ж так звані абсолютні.

Як би старанно не робилися вимірювання і вимірювальні прилади при повторенні їх, ​​в обставини х досвіду, мабуть однакових, завжди помічаються нетотожні результати. Зроблені спостереження вимагають математичної обробки, іноді вельми складною; тільки після цього можна користуватися знайденими величинами для тих чи інших висновків.

Мета вивчення вимірювальних приладів полягає в тому, щоб майбутній інженер отримав необхідний мінімум теоретичних знань про методи вимірювань, пристрій і принцип роботи сучасних приладів та електронних пристроїв, що використовуються в сучасній електротехніці.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Авдєєв Б.Я. та ін Основи метрології та електричні вимірювання. Л., 1987. - 321с.

2. Атамалян Е.Г. та ін Прилади та методи вимірювання електричних величин. М., 1982 - 245с.

3. ГОСТ 15094-86 Засоби вимірювань електронні. Найменування і позначення.

4. Ландау, Л. Д., Ліфшиц, Є. М. Механіка. - Видання 5-е, стереотипне. - М.: Фізматліт, 2004. - 224 с.

5. Малиновський В.М. та ін Електричні вимірювання. М., 1985 - 323с.