Как изготовить простейший динамометр?
Простейший динамометр можно изготовить из пружины с крючком, укреплённой на дощечке (рис. 72, а). К нижнему концу пружины прикрепляют указатель, а на доску наклеивают полоску белой бумаги.
Рис. 72. Градуировка динамометра
Отметим на белой бумаге чёрточкой положение указателя при нерастянутой пружине. Эта отметка будет нулевой отметкой (см. рис. 72, а).
Затем к крючку будет подвешивать груз массой 1/9,8 кг, то есть 102 г. На этот груз будет действовать сила тяжести, равная 1 Н. Под действием этой силы (1 Н) пружина растянется, указатель опустится вниз. Его новое положение отмечаем на бумаге и ставим цифру 1 (рис. 72, б). После чего подвешиваем груз массой 204 г и ставим цифру 2. Это означает, что в таком положении сила упругости пружины равна 2 Н. Подвесив груз массой 306 г, наносим метку 3 и т.д.
Для того, чтобы измерить десятые доли ньютона, нужно нанести деления − 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и т.д. Для этого расстояния между отметками 0 и 1; 1 и 2; 2 и 3; 3 и 4 и далее делят на десять равных частей. Так можно сделать потому, что удлинение пружины Δl увеличивается во столько раз, во сколько увеличивается сила упругости пружины $F_{упр}$. Это следует из закона Гука: $F_{упр}=k Δl$, т.е. сила упругости тела при растяжении прямо пропорционально изменению длины тела.
Проградуированная пружина и будет простейшим динамометром.
Для того чтобы понять, как изготовить простейший динамометр, нужно рассмотреть теоретическую основу, на которой работает этот прибор. Динамометр — это устройство, предназначенное для измерения силы. Принцип его работы основан на законе Гука, который описывает поведение упругих тел, таких как пружины, при растяжении или сжатии.
$ x $ — удлинение (или сжатие) пружины от её положения равновесия (в метрах).
Что такое коэффициент жёсткости пружины?
Коэффициент жёсткости ($ k $) характеризует, насколько "жёсткая" или "мягкая" пружина. Чем больше значение $ k $, тем труднее растянуть или сжать пружину.
Связь между силой и удлинением
Из формулы закона Гука видно, что сила, приложенная к пружине, вызывает её удлинение, пропорциональное значению силы. Это значит, что если мы знаем $ k $ (жёсткость пружины), то по величине удлинения $ x $ можно определить силу $ F $. Именно на этом принципе основывается работа динамометра.
Материалы для изготовления динамометра
Для создания простейшего динамометра вам понадобятся:
Пружина с известным коэффициентом жёсткости ($ k $);
Прочная основа, к которой будет крепиться пружина;
Крючок или держатель для подвешивания грузов;
Линейка или шкала для измерения удлинения;
Маркер или фломастер для нанесения отметок.
Алгоритм изготовления динамометра
Закрепите один конец пружины на прочной основе. Например, можно использовать деревянную планку или металлический каркас.
К другому концу пружины прикрепите крючок для удерживания грузов.
Рядом с пружиной закрепите линейку или нанесите шкалу для измерения её удлинения.
Для калибровки динамометра подвесьте к пружине груз известного веса (например, 1 Н). Отметьте на шкале положение конца пружины при этом удлинении.
Повторите процесс с другими известными нагрузками и добавьте соответствующие отметки на шкалу.
Калибровка динамометра
Калибровка — это процесс установления соответствия между удлинением пружины и величиной приложенной силы.
Если известный груз имеет массу $ m $, то сила тяжести на этот груз можно рассчитать по формуле:
$$ F = m \cdot g $$
где:
Подвесьте груз и измерьте удлинение пружины. Это значение свяжите с рассчитанной силой, чтобы отметить его на шкале. Повторите процесс для нескольких грузов, чтобы шкала была точной.
Принцип работы динамометра
При использовании динамометра на крючок подвешивается объект, и пружина растягивается. Удлинение фиксируется на шкале, а значение силы определяется по нанесённым отметкам, которые соответствуют приложенной нагрузке.
Ошибки измерений
Следует учитывать:
Динамометр необходимо использовать в пределах его рабочей области (пружина не должна быть растянута слишком сильно).
Пружина должна оставаться в пределах упругой деформации, то есть не переходить в область пластической деформации.
Учитывайте погрешности, связанные с неточностью чтения показаний шкалы или изготовлением прибора.
Результатом работы будет простой, но эффективный прибор, позволяющий измерять силу.
Пожауйста, оцените решение
