Динамометр пружинный принцип действия

Динамометр представляет собой специальное устройство, предназначенное для измерения показателей силы или получения параметров момента действующей силы. Этот измерительный прибор способен определить усилие либо силу, с которой один объект действует на другой. Такое воздействие можно встретить повсеместно: это двери лифтов, троллейбуса, метро, ворот и тому подобное.

Необходимо отметить, что первым устройством, которое применялось для измерения силы, являлись весы. Впервые такие весы появились в 1726 году. Через столетие Ричард Солтер создал прибор, в котором применялась пружина с целью измерения воздействия силы. Благодаря грузу она растягивалась на некоторое расстояние, которое соответствовало его массе. Спустя некоторое время Ренье создал устройство, на котором имелся циферблат. В нем применялась кольцеобразная замкнутая пружина. Затем стали появляться конструкции других изобретателей в лице Томсона, Броуна и так далее. Современное устройство по своей конструкции недалеко ушли от этих приборов.

Виды

Динамометр может иметь разные конструкции, которые довольно сильно различаются по предназначению, исполнению, функциям, диапазону измерений и тому подобное. Данные устройства можно разделить по измеряемым усилиям, то есть их можно классифицировать по диапазону измерения: от долей ньютонов до 20 тысяч ньютонов. Если говорить о принципе действия, то данные приборы могут быть различного действия в зависимости от их конструктивного исполнения. При этом в некоторых устройствах могут применяться сразу несколько принципов действия.

Механические подразделяются на изделия рычажного и пружинного действия. Особенность пружинного прибора в том, что сила воздействует на пружину, вследствие чего она может растягиваться или сжиматься, что в свою очередь определяется направленностью приложения силового фактора. Пружина обладает упругостью, которая находится в прямой пропорциональности от приложенной силы, которую необходимо измерить. Поэтому ее можно определить и зафиксировать. При использовании рычажного устройства сила направлена на деформирование рычага, что в свою очередь позволяет определить ее параметры.

Электронное оснащается цифровым дисплеем, где высвечивается информация о прикладываемой силе. В этих устройствах основополагающим элементом является датчик. Его функции это преобразование деформации от действия силы в электросигнал. Он также имеет дополнительный датчик, усиливающий основной сигнал, идущий от первого датчика. С целью преобразования деформационного действия применяются разнообразные датчики сопротивления, которые построены на индуктивном, тензорезистивном, пьезоэлектрическом и частотном принципе действия.

В гидравлических устройствах применяется специальный цилиндр, в котором находится рабочая жидкость. Если внешняя сила оказывает определенное воздействие, то находящаяся в цилиндре жидкость выходит из него. В результате сила определяется объемом вытесненной жидкости. Данный объем находится в прямой зависимости от приложенной силы, что позволяет достаточно точно определить искомый параметр.

В зависимости от сферы применения могут быть и специфические устройства, позволяющие измерять силу воздействия, к примеру, медицинские. Такие устройства позволяют определить силу, степень функционирования мышц, выносливость, в том числе дают возможность следить за состоянием и восстановлением больного после получения травмы.

В отдельную категорию можно выделить кистевое устройство, при помощи него диагностируется сжимающая сила рук вследствие нарушения их функционирования. Тесты с применением данного устройства используются не только в медицинских целях, но также во многих организациях: это правоохранительные органы, Министерство чрезвычайных ситуаций, вооруженные силы, экспедиторские компании, организация боевых единоборств и профессионального спорта. Становое устройство применяется с целью определения сил мышц, которые предназначены для выпрямления туловища человека.

Образцовый динамометр представляет собой эталон, применяемый для определения сил в статике, чаще всего сил сжатия и растяжения во время ремонта испытательных устройств и установок. Данные приборы имеют малую зависимость от температуры окружающей среды. Их конструкция более сложна, что вызвано необходимостью получения независимости от внешних факторов. Так у них предусмотрена автоматическая компенсация искажений и имеются средства самодиагностики. Они обладают малыми габаритами, точностью и долговечностью. Для удобства пользования данные приборы имеют цифровую индикацию, удобный интерфейс и возможность подключения к персональному компьютеру.

Устройство

В большинстве случаев данные приборы имеют схожее устройство и принцип действия. Но все определяется конструкцией устройства.

Самый примитивный динамометр имеет следующее устройство:

• Корпус или основание, которое выполнено из пластмассы, дерева или иного материала.
• Шкала, которая нанесена на основание.
• Пружина из стали, которая с разных сторон имеет крючок и указатель.

При помощи крючка пружина крепится к основанию. Такое устройство очень просто в изготовлении, поэтому собрать его может любой человек, который знаком с основами физики. К примеру, для этого можно взять картонку, из которой следует вырезать основание размером 15 на 7 см. Далее потребуется пружина из металла диаметром проволоки 0,3-0,5 мм. Проволоку необходимо согнуть с одной стороны для закрепления к основанию. Для этого можно воспользоваться скотчем или степлером. С другой концы пружины следует сделать крючок.

Чтобы правильно нанести шкалу, потребуются небольшие мерные грузики. При помощи них на шкале проставляются данные по их весу, то есть на сколько пружина растягиваться, на такой длине и выставляются цифры. В результате появляется зависимость расставленных цифр на шкале от силы, которая прикладывается. Это значит, что можно измерить другую силу, которая будет приложена к пружине.

В электрических устройствах установлены пьезоэлектрические и т.п. датчики, которые работают посредством преобразования механической энергии в электрические сигналы. Данные сигналы усиливаются и фиксируются при помощи какого-либо элемента. К примеру, может быть использована шкала или цифровая индикация. Для возможности работы датчиков и цифровых устройств используются батарейки, аккумуляторы или электрическая сеть.

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.

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.

Применение

Динамометр пружинного типа часто применяется с целью определения массы всевозможных грузов. Также их используют для определения показателей прочности сварочных швов и других соединений.

Динамометр может применяться для получения точных данных, параметров сил, к примеру:

• Тяговых усилий.
• Напряжения мышц.
• Упругости.
• Тяжести.
• Трения.
• для ремонта, поверки различных приборов и их калибровки.

Благодаря их функциональности приборы можно использовать в медицинских, строительных, промышленных и во многих других целях. Некоторые модели устройств способны измерять силу, которая может достигать 20 тысяч ньютонов.

Как выбрать

• В первую очередь необходимо определиться с тем, для каких целей вы собираетесь использовать динамометр. Модели могут быть разными по конструкции и по исполнению, и предназначены для измерения разных диапазонов сил.
• Присмотритесь к функционалу устройств. Конечно, дополнительный функционал может добавить стоимости изделию, однако позволит прибавить удобство использования и большую точность определения сил. Это могут быть цифровая индикация, радиоканалы, usb и другие дополнительные элементы.
• Если вам нужно медицинское устройство, то лучше всего посоветоваться с лечащим врачом. Он предложит вам необходимую модель, чтобы вы не нанесли себе дополнительную травму и смогли быстрее восстановиться.
• Если устройство приобретается для специализированных целей, то прибор необходимо выбирать с учетом требований той сферы, где он будет применяться. Если это высокоточный прибор, то он будет требовать периодической проверки и систематического обслуживания. К примеру, лабораторные изделия нужно периодически подвергать поверочным мероприятиям, в частности отправляя их в лицензированные учреждения.

Динамо́ме́тр (от др.-греч. δύναμις — «сила» и μέτρεω — «измеряю») — прибор для измерения силы или момента силы, состоит из силового звена (упругого элемента) и отсчётного устройства. В силовом звене измеряемое усилие вызывает деформацию, которая непосредственно или через передачу сообщается отсчётному устройству. Существующими динамометрами можно измерять усилия от долей ньютонов (н, долей кгс) до 20 Мн (2000 тс). По принципу действия различают динамометры механические (пружинные или рычажные), гидравлические и электронные. Иногда в одном динамометре используют два принципа.

Содержание

История создания прибора [ править | править код ]

Первыми приборами для измерения силы стали весы, первое изображение которых было напечатано в 1726 году. Около 1830 года Сальтер предложил более удобное устройство: для измерения силы в нём использовалась пружина, которая растягивалась грузом. Ещё раньше Ренье изобрёл динамометр с циферблатом, в котором использовалась кольцеобразно-замкнутая пружина. Более поздними изобретениями являются нажим Прони и динамометры Томсона, Геффнер-Альтенека, Броуна и Межи [1] .

Принцип действия [ править | править код ]

Существует несколько типов динамометров: механические динамометры (рычажные и пружинные), а также гидравлические и электрические.

Механический динамометр [ править | править код ]

Существует два вида механических динамометров: пружинный и рычажный. В пружинном динамометре сила или момент силы передаётся пружине, которая в зависимости от направления силы сжимается или растягивается. Величина упругой деформации пружины пропорциональна силе воздействия и регистрируется. В рычажном динамометре действие силы деформирует рычаг, величина деформации которого после регистрируется.

Гидравлический динамометр [ править | править код ]

Действие гидравлического динамометра основано на вымещении измеряемой силой жидкости из цилиндра. Под давлением жидкость поступает по трубке к записывающему аппарату или датчику и регистрируется. Гидравлический динамометр используется как измеритель крутящего момента (ИКМ) двигателя турбовинтового самолёта, его данные используются для оценки работы двигателя, а также для автоматического флюгирования винта при отказе двигателя. ИКМ может быть выполнен в виде нескольких цилиндров, удерживающих корпус планетарного редуктора винта от проворота — давление, требуемое для удержания, является функцией крутящего момента, такой ИКМ входит в состав редуктора двигателя АИ-20 и многих других. В редукторе же двигателя НК-12 бомбардировщика Ту-95 и транспортного самолёта Ан-22, приводящем соосные винты, разместить такой ИКМ негде, поэтому там ИКМ выполнен как щель в одном из валов, за счёт скручивания вала изменяется расход масла через щель, что и является исходной величиной для ИКМ.

Электрический динамометр [ править | править код ]

Электрический динамометр состоит из датчика, который преобразует деформацию от воздействия силы в электрический сигнал, и дополнительного датчика, который усиливает и записывает электрический сигнал первого датчика. Для преобразования силы или момента силы в деформацию используются индуктивные, пьезоэлектрические, тензорезисторные и вибрационно-частотные датчики сопротивления. Под действием силы датчик деформируется и токи моста сопротивления изменяются. Сила электрического сигнала прямо пропорциональна деформации элемента и в итоге силе воздействия. Второй датчик усиливает сигнал и записывает его для последующей обработки.

Примеры повседневного использования [ править | править код ]

В повседневной жизни прибор используется для измерения силы сжатия створок автоматически закрывающихся систем, таких как двери автобусов, трамваев, вагонов поездов, метро, а также двери пассажирских и грузовых лифтов, гаражные ворота, автомобильные окна, сдвигающиеся люки на крыше и так далее. Так как все эти системы могут в случае неправильной юстировки стать причиной травм, разработаны и внедрены технические нормы, определяющие предельные значения сил сжатия в закрывающихся системах. Данные нормы [2] обязательны во всех странах Европейского союза, а также используются в США, Японии, Китае, Саудовской Аравии, Австралии и других странах мира.

Динамометрами измеряют кистевой мышечный тонус у детей и взрослых с целью определения общей работоспособности и силы человека, а также для отслеживания в динамике процесса восстановления после перенесенных травм, в процессе подготовки спортсменов, для проведения динамометрии во время диспансеризации населения. Современные приборы показывают силу в деканьютонах (даН). Эта единица является аналогом килограмм-силы (кгс).

Принцип работы динамометра

Работа динамометра основывается на законе физике, согласно которому деформация, возникающая в пружине или ином упругом теле, прямо пропорциональна приложенному к телу усилию (напряжению). Данный закон носит имя Гука – английского учёного, жившего в 17 веке.

Закон Гука говорит о том, что в ответ на деформацию какого-либо тела появляется сила, стремящаяся вернуть начальную форму и исходный размер данного тела. Она называется силой упругости.

Простейший динамометр представляет собой совокупность двух устройств – силового и отсчетного!

Усилие, которое прикладывается к прибору, является деформацией его силового звена. Посредством электрического сигнала (либо механического) деформация передается на отсчётное звено, которое может быть цифровым либо аналоговым.

Единицей измерения прибора является ньютон (Н) – международная единица измерения силы.

Если весы показывают массу тела человека, то по показаниям динамометра можно судить о силе, которую человек прикладывает, деформируя приборную пружину.

Современный прибор для динамометрии — это контрольно-измерительное устройство, которое широко используют в медицине для замера у людей силы растяжения или сжатия, измеряемой в ньютонах, а также момента силы в килограмм-силах.

Конструкция устройства позволяет человеку совершенно самостоятельно измерить свою мышечную силу!

Основные виды динамометров в медицине

Первые динамометрические устройства, представлявшие собой пружинные механизмы, были созданы в середине 18 века. Пружина в них под воздействием груза растягивалась на определенную длину. Деления на шкале, показывающие удлинение пружины, соответствовали массе груза. Спустя некоторое время был изобретен циферблатный прибор с круглой пружиной замкнутого контура. После устройств с механизмами растяжения были изобретены конструкции, работающие при нажиме.

Сегодня существуют динамометры следующих типов:

Приборы с механическим принципом действия бывают:

Встречаются модели динамометрических приборов, в которых задействованы сразу два вида силовых устройств!

В медицинской практике чаще всего используются следующие виды приборов:

1. Механический пружинный. Усилие в нём передается сжимающейся или растягивающейся пружине. Значение силы упругости при этом строго пропорционально величине деформирующего воздействия. Пружинный принцип работы применен в простейшем безмене.
2. Механический рычажный. Деформирующее усилие передается в данном приборе с помощью рычага. Показания динамометра регистрируют величину деформации. На таком алгоритме действия основана работа автомобильного динамометрического ключа. Точность показаний обоих механических устройств зависит от температуры окружающей среды.
3. Гидравлический. Под воздействием измеряемой прибором силы жидкость выдавливается из гидроцилиндра. Затем она проходит по трубке и поступает на записывающий датчик, регистрирующий точное её количество. Данный прибор точнее своих механических собратьев, но гораздо сложнее в изготовлении. Достоверность показаний тут напрямую зависит от точности дозирования жидкости и от качества герметичности.
4. Электронный. В нём поступающее на датчик деформирующее усилие преобразуется в электрический сигнал. Кроме того, в приборе имеется ещё один датчик. Он усиливает сигнал, поступающий на первый датчик, и фиксирует его в памяти устройства.

В электронных конструкциях применяются типы индуктивных, пьезоэлектрических и других датчиков. В процессе деформации датчика сопротивление возрастает — как следствие, меняются токи. В результате, сила давления на датчик оказывается прямо пропорциональной силе передаваемого прибором электрического сигнала.

Электрический динамометр – это высокоточный, небольшой по габаритам и лёгкий по весу прибор!

Чем отличается кистевой или ручной динамометр от станового?

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!

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.

По данному алгоритму делается измерение силы каждой руки поочередно, несколько раз подряд.

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.

Принцип расчета относительных показателей для становых приборов такой же, как и для ручных. Но величины индексов значительно выше. При индексе до 170 единиц становая сила оценивается как низкая. Показатели от 170 до 200 единиц говорят о силе ниже средних значений.

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.

Для чего нужно знать силовые показатели?

На силу мускулов человека влияют его пол и возраст, вес тела и уровень усталости. Во многом зависит показатель силы от времени суток и типа мышечной тренировки.

Замечено, что в средине дня фиксируется, как правило, максимальное значение данного показателя. А утром и вечером – минимальное.

В то же время нормальная мышечная сила конкретного человека может быть ослаблена в связи с тем, что:

• Он болеет каким-либо заболеванием или испытывает временное недомогание.
• Человек находятся в состоянии депрессии или стресса.
• По ряду причин сбился привычный для его организма режим питания и распорядок дня.

Зачастую данные показатели понижены у лиц пожилого возраста и у людей, не поддерживающих себя в должной физической форме.

Врачи назначают пациентам измерение мускульной силы на динамометре для контроля физического развития как детей и подростков, так и взрослых людей.

При проведении замеров необходимо следить, чтобы в начальном положении стрелка прибора стояла на нулевой отметке!

После замера показания обязательно записываются. Это поможет медикам в дальнейшем оценить изменение состояния здоровья человека за определенный промежуток времени.

Тем, у кого показатели мышечной силы невысоки, врачи рекомендуют занятия приемлемым видом спорта. Ведь физические упражнения делаются не только для наращивания бицепсов. Прежде всего, они укрепляют иммунитет организма, повышают его работоспособность.