СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ
1.1 Терминология
1.2 Классификация средств измерений
1.3 Погрешность измерений и измерительных приборов
1.4 Общие рекомендации по подбору средств измерений
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ «СИЛА»
2.1 История понятия «сила»
2.2 Законы Ньютона
2.2.1 Первый закон Ньютона
2.2.2 Второй закон Ньютона
2.2.3 Третий закон Ньютона
2.3 Фундаментальные взаимодействия
2.4 Гравитация
2.5 Равнодействующая сила
3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ
3.1 Гравиметры
3.2 Динамометры
3.3 Прибор для измерения силы сжатия
3.4 Амперметры
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Измерительныйприбор – средство измерений, дающее возможность непосредственно отсчитыватьзначения измеряемой величины. В аналоговых измерительных приборах отсчитываниепроизводится по шкале, в цифровых – по цифровому отсчётному устройству.Показывающие измерительные приборы предназначены только для визуальногоотсчитывания показаний, регистрирующие измерительные приборы снабженыустройством для их фиксации, чаще всего на бумаге. Регистрирующие измерительныеприборы подразделяются на самопишущие, позволяющие получать запись показаний ввиде диаграммы, и печатающие, обеспечивающие печатание показаний в цифровойформе. В измерительных приборах прямого действия (например, манометре,амперметре) осуществляется одно или несколько преобразований измеряемойвеличины, и значение её находится без сравнения с известной одноимённойвеличиной. В измерительных приборах сравнения непосредственно сравниваетсяизмеряемая величина с одноимённой величиной, воспроизводимой мерой(примеры — равноплечные весы, электроизмерительный потенциометр, компаратор для линейныхмер). К разновидностям измерительных приборов относятся интегрирующиеизмерительные приборы, в которых подводимая величина подвергаетсяинтегрированию по времени или по другой независимой переменной (электрическиесчётчики, газовые счётчики), и суммирующие измерительные приборы, дающиезначение двух или нескольких величин, подводимых по различным каналам (ваттметр,суммирующий мощности нескольких электрических генераторов).
Вцелях автоматизации управления технологическими процессами измерительныеприборы часто снабжаются дополнительными регулирующими, счётно-решающими иуправляющими устройствами, действующими по задаваемым программам.
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАИЗМЕРЕНИЙ
1.1 Терминология
Знание метрологическойтерминологии, параметров измеряемых сигналов и принятой в нашей стране системыединиц измерения физических величин помогает успешно выполнять измерения иизучать литературу, посвященную измерениям физических величин и измерительнымприборам.
Основные метрологическиетермины:
Метрология — наука обизмерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемойточности.
Измерение — нахождениезначения физической величины опытным путем с помощью специальных техническихсредств.
Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно изопытных данных. Например: измерение напряжения при помощи вольтметра.
Косвенное измерение — измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известнойзависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.Например: измерение электрической мощности постоянного тока при помощи вольт- иамперметра (P=U I).
Истинное значениефизической величины — значение физической величины, которое идеальным образомотражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойстводанного объекта. Истинное значение практически недостижимо.
Действительное значениефизической величины — значение, полученное экспериментальным путем и настолькоприближающееся к истинному значению, что для данной цели может бытьиспользовано вместо него.
Средство измерений — техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированныеметрологические характеристики. Метрологическими называют характеристики,которые оказывают влияние на результат и погрешность измерения (например,рабочий диапазон частот, климатические условия и др.).
Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Погрешностьизмерительного прибора — разность между показанием прибора и истинным значениемизмеряемой величины
Точность измерений — качествоизмерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемойвеличины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям.
Результат измерения — значение величины, найденное путем ее измерения. Измерение может быть однократным,и тогда показание средства измерений является результатом измерения, имногократным — в этом случае результат измерения находят путем статистическойобработки результатов каждого наблюдения.
Показание средстваизмерений — это значение измеряемой величины, определяемое по отсчетномуустройству средства измерений и выраженное в принятых единицах этой величины.Для нахождения показания прибора Хпр. необходимо величину отсчета N умножить нацену деления шкалы k: Хп.=kN. Цена деления шкалы соответствует интервалу междудвумя соседними отметками шкалы, выраженному в значениях измеряемой величины.
Принцип измерения — совокупность физических явлений, на которых основано данное измерение.
Метод измерения — совокупность приемов использования принципов и средств измерений.
1.2 Классификация средствизмерений
В силу большогоразнообразия средств измерения существует довольно широкий набор ихклассификационных признаков. Рассмотрим основные.
По функциональномуназначению все средства измерения делятся на:
Мера — средствоизмерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданногоразмера.
Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительнойинформации (т.е. сигнала, содержащего количественную информацию об измеряемойфизической величине) в форме, доступной для непосредственного восприятиянаблюдателем.
Измерительныйпреобразователь — средство измерений, предназначенное для выработки сигналаизмерительной информации в форме, удобной для передачи, обработки и хранения,но не обеспечивающей непосредственное восприятия наблюдателем. Наиболеемногочисленной группой средств измерений являются измерительные приборы ипреобразователи, которые обобщенно называют измерительными устройствами.
Вспомогательное средствоизмерения — средство измерения величин, влияющих на метрологическиехарактеристики другого средства измерения при его применении.
Измерительная установка — совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная длявыработки сигналов измерительной информации в форме, удобной длянепосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте.
Измерительная система — совокупность средств измерений, соединенных между собой каналом общегопользования (КОП) и предназначенная для выработки сигналов измерительнойинформации в форме, удобной для автоматической обработки. Созданиеинформационно-измерительных систем (ИИС) связано с новым этапом развитияизмерительной техники — построение автоматизированных ИИС на базерадиоизмерительных приборов общего применения.
По принципу измеренийразличают электроизмерительные и радиоизмерительные приборы.
Электроизмерительныеприборы применяются для измерений на постоянном токе и в области низких частот(20 — 2500 Гц) токов, напряжений, электрических мощностей, частоты, фазовыхсдвигов, сопротивлений, емкостей и других величин, характеризующих режим работыэлектрических цепей и параметры их элементов. Обозначение таких приборовсостоит из буквы русского алфавита, характеризующей тип измерительного механизма,и числа, определяющего вид и тип прибора: Д — электродинамические; И — индукционные; М — магнитоэлектрические; Н — самопишущие; Р — меры,измерительные преобразователи, приборы для измерения параметров элементовэлектрических цепей; С — электростатические; Т — термоэлектрические; Ф — электронные, фотоэлектронные, цифровые; Ц — выпрямительные и комбинированные; Э- электромагнитные. Например: С197 — киловольтметр электростатический. Кобозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) идр., отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.
Радиоизмерительныеприборы применяются для измерения разнообразных электрических ирадиотехнических величин как на постоянном токе, так и в широком диапазонечастот, а также для наблюдения и исследования формы радиосигналов ихарактеристик радиоэлектронных устройств, генерации испытательных сигналов ипитания измерительных устройств. Система обозначений данных приборовсоответствует ГОСТ 15094-86 и состоит из: буквы русского алфавита, определяющейхарактер измерений и вид измеряемых величин; цифры (от 1 до 9), обозначающейтип измерительного прибора, и через дефис n-значного числа (n=1, 2, 3),указывающего порядковый номер модели. Например: В7-65 — вольтметр (подгруппа В)универсальный (тип В7) модели номер 65. В обозначении приборов, подвергшихсямодернизации, после номера модели добавляется русская буква в алфавитномпорядке (например, В7-65А); для обозначения приборов с одинаковымиэлектрическими характеристиками, различающимися лишь конструктивнымисполнением, используется дополнительная цифра, которая пишется через дробьпосле номера модели (например, В7-65/1). Многофункциональные приборы могутиметь в обозначении типа дополнительную букву «К» (например, СК6-13).
А Приборы для измерениясилы тока
Б Источники питания дляизмерений и измерительных приборов
В Приборы для измерениянапряжения
Г Генераторыизмерительные
Д Аттенюаторы и приборыдля измерения ослаблений
Е Приборы для измеренияпараметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными
И Приборы для импульсныхизмерений
К Комплексныеизмерительные установки
Л Приборы общегоприменения для измерения параметров электронных ламп и полупроводниковыхприборов
М Приборы для измерениямощности
Н Меры и калибраторы
П Приборы для измерениянапряженности поля и радиопомех
Р Приборы для измеренияпараметров элементов и трактов с распределенными постоянными
С Приборы для наблюдения,измерения и исследования формы сигнала и спектра
У Усилители измерительные
Ф Приборы для измерения фазовогосдвига и группового времени запаздывания
Х Приборы для наблюденияи исследования характеристик радиоустройств
Ц Анализаторы логическихустройств
Ч Приборы для измерениячастоты и времени
Ш Приборы для измеренияэлектрических и магнитных свойств материалов
Э Измерительныеустройства коаксиальных и волноводных трактов
Я Блокирадиоизмерительных приборов
По методу измеренийизмерительные устройства бывают прямого действия, реализующие методнепосредственной оценки, и устройства использующие метод сравнения.
Простейшим является методнепосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяютнепосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора.
Наиболее точным являетсяметод сравнения измеряемой величины с однородной независимой известнойвеличиной. По способу осуществления метод сравнения может быть нулевым,дифференциальным, методом замещения, методом совпадения. При нулевом методе(иначе методе компенсации) результирующий эффект воздействия обеих величин наизмерительный прибор доводят до нуля. При дифференциальном методе наизмерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величин. Приметоде замещения измеряемую величину замещают (заменяют) однородной с нейвеличиной известного размера, который равен размеру замещенной величины, чтоопределяется по сохранению режима в измеряемой цепи. При методе совпаденияравенство значений измеряемой и известной величин фиксируется по совпадениюотметок шкал, сигналов или другим признакам.
По точности измеренийизмерительные средства можно разделить на: эталоны, образцовые и рабочиесредства измерений.
Эталон единицы — этосредство измерений, обеспечивающее воспроизводство и (или) хранение единицыфизической величины с целью передачи ее размера образцовым и рабочим средствамизмерений.
Образцовое средствоизмерений — мера или измерительное устройство, служащие для поверки по нимдругих средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.
Рабочее средствоизмерений — средство применяемое для измерений, не связанных с передачейразмера единицы.
По способу обработкисигнала измерительной информации приборы делятся на аналоговые и цифровые.
В аналоговых приборахпоказания являются непрерывной функцией размера измеряемой величины, т.е.могут, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений.
В цифровых приборахнепрерывная измеряемая величина дискретизируется по времени, квантуется поуровню, кодируется и в виде цифрового кода отображается на цифровом отсчетомустройстве. В результате показания цифрового прибора могут принимать лишьконечное число значений.
Цифровые средстваизмерения обеспечивают, как правило, большую точность и быстродействие. Однаконе всегда цифровое устройство лучше аналогового. При большом числе одновременноизмеряемых величин (контроль сложного объекта) или при динамическом изменениивходной величины показания аналоговых приборов воспринимаются легче,обеспечивая оперативность анализа контролируемого процесса. Поэтому дляповышения информативности отсчетные устройства современных цифровых приборовмогут дополняться, так называемыми, линейными шкалами — определенным образомрасположенными сегментами на цифровом индикаторе.
По способу отображениярезультата измерения аналоговые и цифровые приборы принято разделять напоказывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, вкоторых предусмотрена возможность автоматической и (или) ручной регистрациипоказаний.
По способу применения ипо конструкции измерительные устройства делятся на: щитовые, переносные(портативные) и стационарные.
1.3 Погрешности измеренийи измерительных приборов
Отклонение результатаизмерения от истинного значения измеряемой величины является погрешностьюизмерения.
Абсолютная погрешностьизмерения (Δизм.) — разность между действительным и истинным значениямиизмеряемой величины: Δизм.=Хд. — Хи.
Относительная погрешностьизмерения (δизм.) — отношение абсолютной погрешности измерения к истинномузначению измеряемой величины, выраженное в %:
/> (1.1)
Для проведения любогоизмерения необходимо правильно выбрать метод измерения, средство измерения иисполнителя (оператора), чтобы полученный результат был максимально приближен кистинному значению измеряемой величины. В противном случае появляютсяметодические, инструментальные или субъективные погрешности измерений.
Инструментальныепогрешности измерений зависят от погрешностей применяемых средств измерений.
Абсолютная погрешностьизмерительного прибора (Δпр.) — разность между показанием прибора идействительным значением измеряемой величины: Δпр.=Хпр. — Хд.
Относительная погрешностьизмерительного прибора (δпр.) — отношение абсолютной погрешности прибора кдействительному (или измеренному, Хпр.) значению величины, выраженное в %:
/> (1.2)
Значение относительнойпогрешности зависит от значения измеряемой величины — при постоянной пр. онавозрастает с уменьшением Хпр… Поэтому максимальная точность измеренийобеспечивается, когда показание прибора находится во второй половине диапазонаизмерений. Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, длякоторой нормированы допускаемые погрешности прибора. Допускаемой погрешностьюсчитается погрешность прибора, при которой он может быть признан годным идопущен к применению.
Для сравнительной оценкиточности измерительных устройств пользуются понятием приведенной погрешностиприбора (γпр.), под которой понимают выраженное в % отношение абсолютнойпогрешности прибора к нормирующему значению шкалы:
/> (1.3)
В качестве XNчаще всего используют конечное значение диапазона измерений.
Погрешность, свойственнаяизмерительному прибору при его эксплуатации в нормальных условиях, называетсяосновной погрешностью. Для большинства средств измерений нормальными условиямиэксплуатации считаются следующие: температура окружающей среды 20±5°С,относительная влажность 65±15%, напряжение питания 220 В±10% с частотой 50±1Гц. При отклонении условий эксплуатации от нормальных (при рабочих условиях)появляются дополнительные погрешности.
Погрешности некоторыхизмерительных приборов зависят от текущего значения измеряемой величины Хпр.,поэтому погрешности таких приборов представляют двучленными выражениями, вкоторых первое слагаемое не зависит от Хпр. (аддитивная погрешность), а второезависит (мультипликативная погрешность):
/>, (1.4)
где a, b — постоянныечисла;
/>, (1.5)
где Хк. — верхний пределизмерений прибора;
c, d — постоянные числа в%, причём
/>, /> (1.6)
Проявление погрешностейизмерений и средств измерений может носить систематический и (или) случайныйхарактер.
Систематическаяпогрешность — это составляющая погрешности, остающаяся постоянной илизакономерно изменяющаяся при повторных измерениях одного и того же значенияфизической величины.
Случайная погрешность — составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом при повторныхизмерениях одного и того же значения физической величины. Для исключения изрезультата измерения случайной погрешности проводят многократные измерения и ихстатистическую обработку.
1.4 Общие рекомендации поподбору средств измерений
Средство измерений взависимости от его назначения и области применения должно удовлетворятьопределенным требованиям, из которых наиболее общими являются следующие:
Диапазон измерений долженохватывать все практически необходимые значения измеряемой величины;
Основная и дополнительнаяпогрешности должны соответствовать решаемым при измерениях задачам;
Приборы, предназначенныедля измерения режима электрических цепей и параметров радиосигналов, не должнысущественно влиять на работу исследуемых устройств. Для этого используетсяпоследовательная или параллельная схема подключения, либо режим согласованнойнагрузки;
Прибор должен надежноработать при заданных условиях эксплуатации, что достигается применениемсовременной элементной базы и высокотехнологичным монтажом. Использованиепередовой SMТ-технологии значительно повышает коэффициент надежностисовременного измерительного оборудования;
Управление приборомдолжно быть максимально простым и удобным для пользователя;
В эпоху глобальнойкомпьютеризации желательно иметь прибор с возможностью подключения к компьютеру(например, через RS-232);
Прибор долженудовлетворять требованиям техники безопасности при измерениях;
Если средство измеренияпредполагается использовать в сфере деятельности метрологического контроля, тооно в обязательном порядке должно иметь сертификат об утверждении типа средствизмерений Госстандарта России.
Актуальность последнегопункта для импортных средств измерения диктуется временем: отечественнаярадиоэлектронная промышленность переживает существенный спад, поэтому длянасыщения российского рынка высококачественным измерительным оборудованиемнеобходимо, в первую очередь, обеспечить его метрологический контроль. Задачапо внесению средств измерений в Госреестр требует больших финансовых и временныхзатрат, при этом орган сертификации подтверждает заявленные производителемметрологические характеристики и проверяет их соответствие российскимстандартам. В связи с этим далеко не все поставщики импортного оборудованияобеспечивают сертификацию предлагаемых средств измерений.
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАПОНЯТИЯ «СИЛА»
2.1 История понятия «сила»
Си́ла — векторнаяфизическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел.Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости иливозникновения в нем деформаций.
Сила, как векторнаявеличина, характеризуется модулем и направлением. Второй закон Ньютона гласит,что в инерциальных системах отсчета ускорение движения материальной точкисовпадает по направлению с приложенной силой; по модулю прямо пропорциональномодулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, чтоэквивалентно, в инерциальных системах отсчета скорость изменения импульсаматериальной точки равна приложенной силе. Деформации являются следствиемвозникновения в теле внутренних напряжений.
Понятие силы использовалиеще ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил впроцессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. ПредставленияАристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями,просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя дляописания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятойна протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, чтоньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростяхдвижения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положениякинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.
С точки зренияСтандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия(гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредствомобмена так называемыми калибровочными бозонами. Эксперименты по физике высокихэнергий, проведенные в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое иэлектромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментальногоэлектрослабого взаимодействия.
Размерность силы всистемах величин LMT — dim F = L M T−2, единица силы в Международной системе единиц (СИ) —ньютон (N, Н).
2.2 Законы Ньютона
Исаак Ньютон задалсяцелью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это,он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общимзаконам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд «Математическиеначала натуральной философии», в котором изложил три основополагающихзакона классической механики (знаменитые законы Ньютона).
2.2.1 Первый законНьютона
Первый закон Ньютонаутверждает, что существуют системы отсчета, в которых тела сохраняют состояниепокоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на нихсо стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий. Такиесистемы отсчета называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждыймассивный объект имеет определенный запас инерции, который характеризует «естественноесостояние» движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля,который рассматривал покой «естественным состоянием» объекта. Первыйзакона Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из положений которойявляется утверждение о том, что тело может двигаться с постоянной скоростьюлишь под действием силы. Тот факт, что в механике Ньютона покой физическинеотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованиемпринципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиальноневозможно определить какие из них находится «в движении», а какие «покоятся».Говорить о движении можно лишь относительно какой-либо системы отсчета. Законымеханики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета, другимисловами все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразованийГалилея.
Например, законы механикиабсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямомуучастку дороги с постоянной скорость и когда стоит на месте. Человек можетподбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на томже самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно ипрямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако длястороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеетвид параболы. Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во времяполета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движениягрузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значениядвижется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постояннойскоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Такимобразом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физическинеотличимы друг от друга.
2.2.2 Второй законНьютона
Хотя второй закон Ньютонатрадиционно записывают в виде: F=ma, сам Ньютон записывал его несколькоиначе, используя дифференциальное исчисление.
Второй закон Ньютона всовременной формулировке звучит так: в инерциальной системе отсчета скоростьизменения импульса материальной точки равна векторной сумме всех сил,действующих на эту точку.
Считается, что это «втораясамая известная формула в физике», хотя сам Ньютон никогда явным образомне записывал свой второй закон в этом виде.
Поскольку в любойинерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется припереходе от одной системы к другой, то и сила инвариантна по отношению к такомупереходу.
Во всех явлениях природысила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическомсмысле, т.е. как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения телав инерциальной системе координат. Обратное утверждение, т.е установление фактатакого движения, не свидетельствует об отсутствии действующих на тело сил, алишь о том, что действия этих эти сил взаимно уравновешиваются. Иначе: ихвекторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю. На этом основано измерениевеличины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.
Второй закон Ньютонапозволяет измерять величину силы. Например, знание массы планеты и еецентростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислитьвеличину силы гравитационного притяжения, действующую на эту планету со стороныСолнца.
2.2.3 Третий законНьютона
Для любых двух тел(назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что любая сила,которая обусловлена действием тела 1 на тело 2, сопровождается появлениемравной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 2со стороны тела 1. Математически закон записывается так:
/> (2.1)
Этот закон означает, чтосилы всегда возникают парами «действие-противодействие». Если тело 1и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленнаявзаимодействием этих тел равна нулю:
/> (2.2)
Это означает, что взамкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводитк тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуютвнешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могутускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состояниипокоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, есливнешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться сускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратнопропорциональным массе системы.
2.3 Фундаментальныевзаимодействия
Все силы в природеоснованы на четырех типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скоростьраспространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме.Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами,гравитационные − между массивными объектами. Сильное и слабое проявляютсятолько на очень малых расстояниях, они ответственны за возникновениевзаимодействия между субатомными частицами, включая нуклоны, из которых состоятатомные ядра.
Интенсивность сильного ислабого взаимодействия измеряетя в единицах энергии (электрон-вольтах), а неединицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняетсяберущей из античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действиемспецифических для каждого явления «сил».
Понятие силы не можетбыть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие изарсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже толькоподсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих нарасстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействиямежду частицами, происходящими через посредство полей, то есть каких-то другихчастиц. Поэтому физики избегают употреблять слово сила, заменяя его словомвзаимодействие.
Каждый вид взаимодействияобусловлен обменом соответствующих переносчиков взаимодействия: гравитационное −обменом гравитонов (существование не подтверждено экспериментально),электромагнитное − виртуальных фотонов, слабое − векторных бозонов,сильное − пимезонов. В настоящее время электромагнитное и слабоевзаимодействия объединены в более фундаментальное электрослабое взаимодействие.Делаются попытки объединения всех четырех фундаментальных взаимодействие в одно(так называемая теория великого объединения).
Всё многообразиепроявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четыремфундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявлениеэлектромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихсяповерхностей, и принципа запрета Паули, который не позволяет атомам проникать вобласть друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины, описываемаязаконом Гука, также является результатом действия электромагнитных сил междучастицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решеткивещества удерживаться около положения равновесия.
Однако на практикеоказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиямзадачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.
2.4 Гравитация
Гравитация (силатяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамкахклассической механики описывается законом всемирного тяготения,сформулированным Исааком Ньютоном в его труде «Математические началанатуральной философии». Ньютон получил величину ускорения, с которым Лунадвижется вокруг Земли, положив при расчете, что сила тяготения убывает обратнопропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им жебыло установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим,пропорционально произведению масс этих тел. На основании этих двух выводов былсформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются понаправлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс иобратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
/> (2.3)
Здесь G − гравитационная постоянная, значение которой впервыеполучил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получитьформулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготенияНьютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих другихнебесных тел. Однако, в ее основе лежит концепция дальнодействия,противоречащая теории относительности. Поэтому классическая теория тяготениянеприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью, близкой кскорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например,черных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимисятелами, на больших расстояниях от них.
Более общей теориейгравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. В нейгравитация не характеризуется силой. Вместо этого свободное движение тел вгравитационном поле, воспринимаемое наблюдателем как движение по искривленнымтраекториям в трехмерном пространстве-времени с переменной скоростью,рассматривается как движение по инерции по прямой линии в искривленномчетырехмерном пространстве-времени, в котором время в разных точках течетпо-разному. Причем это искривление таково, что пространственно-временнойпромежуток между двумя пространственно-временными положениями данного теламинимален. Искривление пространства зависит от массы тел, а также от всех видовэнергии, присутствующих в системе.
2.5 Равнодействующая сила
Равнодействующая сила — геометрическая сумма всех сил, действующих на тело. При этом действие каждойсилы не зависит от действия других, т.е. каждая сила сообщает телу такоеускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Этоутверждение носит название принципа независимости действия сил.
При расчёте ускорениятела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемойравнодействующей.
3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ
3.1 Гравиметры
/>
Рисунок 1 — Гравиметр
Согласно общепринятомуопределению, Гравиметр (от лат. gravis — тяжелый и… метр), прибор дляотносительного измерения ускорения силы тяжести. Большинство гравиметровпредставляет собой точные пружинные или крутильные весы. С помощью такихгравиметров измеряют разности ускорении силы тяжести по изменению деформациипружины или угла закручивания упругой нити, компенсирующих силу тяжестинебольшого грузика. Измерения проводятся последовательно на исходном пункте,для которого ускорение силы тяжести известно, и на исследуемом пункте. Основнаятрудность в создании гравиметра состоит в необходимости обеспечить точноеизмерение малых упругих деформации в полевых условиях. Применяются оптические,фотоэлектрические, емкостные, индукционные и другие способы их регистрации.Применяются гравиметры основанные на измерениях изменения частоты колебанийструны, к нижнему концу которой подвешивается масса, или изменения скоростипрецессии гироскопических приборов вследствие различных значении силы тяжестина гравиметрических пунктах.
3.2 Динамометры
/>
Рисунок 2 – Динамометр
Согласно общепринятомуопределению, Динамометр (от динамо… и… метр), прибор для измерения силы илимомента, состоит из силового звена (упругого элемента) и отсчётного устройства.В силовом звене динамометра измеряемое усилие преобразуется в деформацию,которая непосредственно или через передачу сообщается отсчётному устройству.Динамометром можно измерять усилия от нескольких н (долей кгс) до 1 Мн (100тс). По принципу действия различают динамометры механические (пружинные илирычажные), гидравлические и электрические. Иногда в одном динамометреиспользуют два принципа. По назначению динамометры разделяют на образцовые ирабочие (общего назначения и специальные). Образцовые динамометры.предназначены для поверки и градуировки рабочих динамометров и контроля усилиймашин при испытании механических свойств различных материалов и изделий. Постепени точности различают образцовые динамометры 1-го, 2-го и 3-го разрядов.Динамометры 1-го разряда предназначаются для поверки образцовых динамометров2-го разряда, которые, в свою очередь, применяются для поверки и градуировкидинамометров 3-го разряда и поверки динамометров общего назначения. Динамометры3-го разряда служат для поверки и градуировки испытательных машин и приборов,изготовляются с упругими элементами в виде замкнутых скоб, работающих восновном на изгиб, и замкнутых скоб или стержней, испытывающих деформациюсжатия или растяжения.
3.3 Прибор для измерениясилы сжатия
Прибор для измерения силысжатия — измерительный прибор, предназначенный для измерения силы (см.сила)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 т. п.,которые могут, в случае неправильной юстировки, стать причиной травмированиялюдей. Для предотвращения подобных случаев, внедрены законодательныеПредписания, которые устанавливают технические Нормы, определяющие границы силсжатия в закрывающихся системах. Эти нормы приведены на странице[1]. ДанныеНормы обязательны во всех странах Европейского союза, а также используються вСША, Японии, Китае, Саудовской Аравии, Австралии и других странах мира. ВРоссии такие проверки осуществляются при эксплуатации нового железнодорожногоэкспресса InterCityExpress (ICE) Москва-Петербург (разработка фирмы Siemens AG и Bombardier), а также в петербургском филиале автобусной фирмы «Scania AB». Прибор состоит из сенсора-приемника механическогодавления и электронного блока для преобразования, обработки, оценки исохранения измеряемых величин. В зависимости от области применения, диапазонасил и других требований норм, наиболее известны следующие типы приборов: BIA Kl.1 — система для измерения и оценки силы сжатия дверейавтобусов, трамваев, метро и железнодорожных вагонов. Диапазон измеряемых сил:от 10 до 300 ньютон (пружинная константа — 10 N/mm(Ньютон/миллиметр)). С помощью этого прибора проводится измерение силы сжатияна соответствие стандартов: 2001/85/EG (для автобусных дверей), prEN14752 (для дверей рельсовых транспортных средств),FM100 — система для измерения и оценки сил сжатия дверей иворот. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 2000 ньютон, (пружинная константа 500 N/mm). С помощью этой системы проводится измерение силы сжатиязакрывающихся дверей и ворот на соответствие стандартам: EN 12453/12445. FM200 — система для измерения и оценкисил сжатия автоматически закрывающихся окон, верхних люков и багажников вавтомобилях. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 300 ньютон, (пружинная константа10, 20, 65, 100 N/mm). С помощью данной системыпроводится измерение силы сжатия автомобильных закрывающихся систем насоответствие стандартам: 2000/4/EG, FMVSS 118, 74/60 EWG. FM300- система для измерения и оценки сил сжатия закрывающихся дверей пассажирскихлифтов. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 750 ньютон, (пружинная константа 25 N/mm). С помощью данной системы проводится измерение силы сжатиявнешних и внутренних дверей пассажирских лифтов на соответствие стандартам:EN 81-1, EN 953. Эти системы, совместно с универсальным, компактнымэлектронным блоком, обеспечивают измерение сил в статическом и динамическомрежимах, с погрешностью не более +/- 3,0%. Сохраненные в электронном блокерезультаты измерений, далее обрабатываются на компьютере с помощью специальнойпрограммы «Pinch Pilot».
3.4 Амперметр
/>
Рисунок 3 — Амперметр
Амперме́тр — прибордля измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах,миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измеренияприбора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с темучастком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличенияпредела измерений — с шунтом или через трансформатор. (Примером амперметра странсформатором являются «токовые клещи»)
Общая характеристика.
Наиболее распространеныамперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается наугол, пропорциональный величине измеряемого тока.
Амперметры бываютмагнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми,индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.
Магнитоэлектрическимиамперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными —силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока.Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические иэлектродинамические амперметры.
Принцип действиямагнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодарявзаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит черезобмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Уголповорота стрелки пропорционален силе тока.
Электродинамические амперметрысостоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно илипоследовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки,вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. Вэлектрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а привысоком напряжении или больших токах — через трансформатор.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
История наук, нуждающихсяв измерениях, показывает, что точность методов измерений и измерительныхприборов и построения соответственных измерений и измерительных приборовпостоянно возрастают. Результатом этого роста является новая формулировказаконов природы.
Измерения и измерительныеприборы – законы явлений природы, как выражения количественных отношений междуфакторами явлений, выводятся на основании измерений этих факторов. Приборыприспособленные к таким измерениям, называются измерительными. Всякоеизмерение, какой бы ни было сложности, сводится к измерениям и измерительнымприборам пространственности, времени, движения и давления, для чего могут бытьизбраны единицы мер условные, но постоянные или же так называемые абсолютные.
Как бы старательно ниделались измерения и измерительные приборы при повторении их, в обстоятельствах опыта, по-видимому одинаковых, всегда замечаютсянетождественные результаты. Сделанные наблюдения требуют математическойобработки, иногда весьма сложной; только после этого можно пользоватьсянайденными величинами для тех или других выводов.
Цель изученияизмерительных приборов состоит в том, чтобы будущий инженер получил необходимыйминимум теоретических знаний о методах измерений, устройстве и принципе работысовременных приборов и электронных устройств, используемых в современнойэлектротехнике.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ
1. Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрическиеизмерения. Л., 1987. – 321с.
2. Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измеренияэлектрических величин. М., 1982 – 245с.
3. ГОСТ 15094-86 Средства измерений электронные. Наименованияи обозначения.
4. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. — Издание 5-е,стереотипное. — М.: Физматлит, 2004. — 224 с.
5. Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения. М., 1985 –323с.