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

Прибор для измерения силы, или динамометр – устройство, с помощью которого измеряется величина силы или момента силы. Изобретенное более 200 лет назад оно со временем постепенно совершенствовалось, становясь все более компактным, удобным и точным. О том, что собой данный прибор представляет, из чего состоит, как работает, каких видов бывает, пойдет речь в данной статье.

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.

Историческая справка

Появление концепции силы относится ко временам философов Древней Греции. В частности, Архимед полагал, что любое тело пребывает в состоянии покоя, если на него не оказывают воздействие остальные тела, то есть философ рассматривал силу в статике.

Первое определение этой физической величины с динамических позиций приписывается Галилею (XVII век), который, в отличие от Архимеда, полагал, что отсутствие взаимодействия с другими объектами рассматриваемого тела не будет менять его инерционное движение.

Современную концепцию силы развил в своих трудах Исаак Ньютон. Он подробно определил это понятие, включив его во все законы классической механики. Так, Ньютон определил, что интенсивность взаимодействия абсолютно любых тел, имеющих конечную массу, уменьшается, как квадрат расстояния (закон всемирного тяготения). Только спустя один век (конец XVIII в.) Генри Кавендиш, используя крутильные весы, смог измерить гравитационную постоянную, которая была введена Ньютоном. За перечисленные заслуги Ньютона в физике, единица измерения силы в системе СИ получила название по его фамилии.

В современной физике понятие силы используется главным образом для описания макроскопических объектов. В квантовой механике и физике элементарных частиц чаще оперируют концепцией «энергия».

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.

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.

Как проверить силу удара в домашних условиях

При оттачивании своих бойцовских навыков необходимо отслеживать прогресс. Конечно же, лучше всего делать проверку в спортивном зале. Но общее представление о физической подготовке, скорости и силе удара можно получить и в домашних условиях.

Скорость удара

Скорость удара не менее важна, чем сила. Ведь даже если человек имеет огромный, «железный» кулак, но при этом удар медленный — толка нет. Скорость усиливает панч, помогает застать врасплох соперника. Довольно простое упражнение поможет узнать скорость удара.

Для проверки понадобится теннисный мячик. Берем его в не бьющую руку, зажимаем. Затем вытягиваем руку вперед. Тестируемую руку подносим к подбородку (встаем в стойку). Руки должны быть на одной линии. Пусть кто-то из близких или друзей посчитает до трех. И на счет «три» вы раскрываете кулак и как можно быстрее подхватываете мяч другой рукой. Если скорость отличная, то мяч вы ловите на той же линии, на которой был отпущен. Однако, он не должен опуститься ниже 7-10 см.

Взрывная сила

Не все понимают, что такое взрывная сила удара. Это как быстро вы достигните максимальной скорости. Очень важный показатель, так как от него зависит: упадет ли соперник от удара или успеет увернуться.

Для измерения опять берем обычный мячик для тенниса. Подкидываем его в воздухе и сразу бьем по нему другой рукой. Теперь меряем:

• 5-10 метров — Малая сила.
• 10-16 метров — Средняя.
• Более 16 метров — Высокая.

Таким же образом можно тренировать взрывную силу. А через время опять проверить результаты.

Общая мощь удара

Существует еще один тест. Он показывает общую мощь удара. Его часто используют при подготовке бойцов ВДВ. Для этого понадобится прозрачный полиэтиленовый пакет (с ручками).

Пакет нужно подвесить нитками за две ручки на уровне подбородка. Затем нужно встать в стойку и нанести удар в центр

Очень важно, чтобы удар «не ушел» вниз. Цель – порвать пакет

Если пакет просто сорвался, удар недостаточно сильный, нет хорошей скорости, нет взрывной силы.

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.

Содержание

В данном уроке мы познакомимся с новым прибором, который называется динамометром. С его помощью можно измерить силу, действующую на тело.

Динамометр — это прибор для измерения силы.

Слово «динамометр» образовано от двух греческих слов: «динамис» — сила и «метрео» — измеряю.

Рассмотрим самый простой вид динамометра — пружинный. Это поможет нам разобраться с принципом действия прибора. Основной его частью является стальная пружина.

Не сложно догадаться, что если подвесить к пружине груз, то она растянется. Другими словами, наблюдатель видит, что на подвешенное тело действует сила, и может определить ее величину.

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.

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.

Способы крепления вибрационных датчиков

Возможны следующие способы крепления вибрационных датчиков ():

• при помощи шпильки;
• клеевые соединения, включая крепление при помощи пчелиного воска;
• использование промежуточных элементов;
• при помощи магнитов;
• при помощи щупа.

Рисунок 82 – Способы крепления вибрационных датчиков

Крепление при помощи шпильки на гладкой плоской поверхности является предпочтительным. Место проведения измерения предварительно подготавливается (). Сверлится отверстие, нарезается резьба, шлифуется поверхность. При этом соблюдаются следующие требования:

• глубина резьбового отверстия должна быть достаточной, чтобы шпилька не упиралась в дно отверстия в основании датчика;
• шероховатость поверхности не более 1,6…0,25 Rz;
• неперпендикулярность оси резьбового соединения к плоскости крепления преобразователя не более 0,02%;
• неплоскостность поверхности крепления 0,01%;
• крутящий момент при креплении датчика на шпильку М4…М8 1,7…2 Нм.

Рисунок 83 – Требования к месту установки датчика при помощи шпильки

Поверхность объекта должна быть ровной и чистой. На рабочую поверхность датчика наносится слой пластичной смазки, что увеличивает жёсткость механического соединения датчика и объекта измерений и создает хороший контакт поверхностей.

На показана амплитудно-частотная характеристика пьезодатчика, закрепленного стальной шпилькой на гладкой поверхности объекта. В этом случае резонансная частота пьезодатчика практически совпадает с резонансной частотой, полученной при калибровке производителем (примерно 33 кГц).

Недостатки: большие затраты времени на установку датчика и необходимость проведения слесарных работ.

Альтернативным методом крепления пьезодатчиков является крепление на тонком слое пчелиного воска, при помощи клея, цемента и другие. Резонансная частота уменьшается незначительно (). Этот способ крепления применим при комнатной температуре поверхности объекта и малой амплитуде колебаний.

Недостатками этого метода крепления являются размягчение воска или клея с ростом температуры (допустимая температура +35…40 °С) и ненадежность крепления массивных датчиков, особенно в направлении измерения, отличном от вертикального. Крепление датчика пчелиным воском на гладкой чистой поверхности при измерении вибрации в вертикальном направлении можно считать допустимым для датчиков массой не более 20 г при амплитудах виброускорения до 100 м/с2.

Использование промежуточных элементов – пластин, дисков приводит к искажению воспринимаемого сигнала на высоких из-за механической фильтрации и снижению резонансной частоты из-за повышенной податливости системы.

В тех случаях, когда необходимо обеспечить прочное крепление акселерометра без нарушения поверхности объекта резьбовыми отверстиями, используются специальные шпильки, закреплённые на плоском диске (промежуточные элементы) прикрепляемые твёрдым клеем или цементом. В качестве склеивающих материалов рекомендуются эпоксидные смолы и цианакриловые клеи. Изолированная шпилька и слюдяная шайба используются там, где необходима электрическая изоляция акселерометра относительно объекта.

Наиболее широкое распространение получил способ крепления датчиков на гладкой поверхности объекта с помощью постоянного магнита. При этом статическая сила сцепления магнита с измерительной поверхностью во многом влияет на диапазон измерений. Это определяет необходимость использования неодимовых магнитов с усилием 30…50 Н. Требования к обработке поверхности те же, что и для соединения при помощи шпильки. Крепление при помощи магнита () сокращает измеряемый частотный диапазон до 5000 Гц. Резонансная частота в этом случае уменьшается примерно до 7… 15 кГц и зависит от типа магнита.

Рисунок 86 – Амплитудно-частотная характеристика вибрационного датчика при креплении с помощью магнита

Измерение вибрации с помощью щупа, снижает верхний частотный диапазон () до 1000 Гц. Угол между измерительной осью вибродатчика и направлением измерения на должен превышать 25°.

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.

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.