Курсовая работа: Приборы для измерения силы

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

Измерительный прибор – средство измерений, дающее возможность непосредственно отсчитывать значения измеряемой величины. В аналоговых измерительных приборах отсчитывание производится по шкале, в цифровых – по цифровому отсчётному устройству. Показывающие измерительные приборы предназначены только для визуального отсчитывания показаний, регистрирующие измерительные приборы снабжены устройством для их фиксации, чаще всего на бумаге. Регистрирующие измерительные приборы подразделяются на самопишущие, позволяющие получать запись показаний в виде диаграммы, и печатающие, обеспечивающие печатание показаний в цифровой форме. В измерительных приборах прямого действия (например, манометре, амперметре) осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины, и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной. В измерительных приборах сравнения непосредственно сравнивается измеряемая величина с одноимённой величиной, воспроизводимой мерой (примеры — равноплечные весы, электроизмерительный потенциометр, компаратор для линейных мер). К разновидностям измерительных приборов относятся интегрирующие измерительные приборы, в которых подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной (электрические счётчики, газовые счётчики), и суммирующие измерительные приборы, дающие значение двух или нескольких величин, подводимых по различным каналам (ваттметр, суммирующий мощности нескольких электрических генераторов).

В целях автоматизации управления технологическими процессами измерительные приборы часто снабжаются дополнительными регулирующими, счётно-решающими и управляющими устройствами, действующими по задаваемым программам.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Терминология

Знание метрологической терминологии, параметров измеряемых сигналов и принятой в нашей стране системы единиц измерения физических величин помогает успешно выполнять измерения и изучать литературу, посвященную измерениям физических величин и измерительным приборам.

Основные метрологические термины:

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например: измерение напряжения при помощи вольтметра.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например: измерение электрической мощности постоянного тока при помощи вольт- и амперметра (P=U I).

Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение практически недостижимо.

Действительное значение физической величины - значение, полученное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Средство измерений - техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические 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.

Погрешность измерительного прибора - разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины

Точность измерений - качество измерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. 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, и многократным - в этом случае результат измерения находят путем статистической обработки результатов каждого наблюдения.

Показание средства измерений - это значение измеряемой величины, определяемое по отсчетному устройству средства измерений и выраженное в принятых единицах этой величины. Для нахождения показания прибора Хпр. необходимо величину отсчета N умножить на цену деления шкалы k: Хп.=kN. Цена деления шкалы соответствует интервалу между двумя 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 средств измерений

В силу большого разнообразия средств измерения существует довольно широкий набор их классификационных признаков. Рассмотрим основные.

По функциональному назначению все средства измерения делятся на:

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации (т.е. сигнала, содержащего количественную информацию об измеряемой физической величине) в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, обработки и хранения, но не обеспечивающей непосредственное восприятия наблюдателем. Наиболее многочисленной группой средств измерений являются измерительные приборы и преобразователи, которые обобщенно называют измерительными устройствами.

Вспомогательное средство измерения - средство измерения величин, влияющих на метрологические характеристики другого средства измерения при его применении.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте.

Измерительная система - совокупность средств измерений, соединенных между собой каналом общего пользования (КОП) и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки. Создание информационно-измерительных систем (ИИС) связано с новым этапом развития измерительной техники - построение автоматизированных ИИС на базе радиоизмерительных приборов общего применения.

По принципу измерений различают электроизмерительные и радиоизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы применяются для измерений на постоянном токе и в области низких частот (20 - 2500 Гц) токов, напряжений, электрических мощностей, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений, емкостей и других величин, характеризующих режим работы электрических цепей и параметры их элементов. Обозначение таких приборов состоит 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 элементов электрических цепей; С - электростатические; Т - термоэлектрические; Ф - электронные, фотоэлектронные, цифровые; Ц - выпрямительные и комбинированные; Э - электромагнитные. Например: С197 - киловольтметр электростатический. К обозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) и др., отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.

Радиоизмерительные приборы применяются для измерения разнообразных электрических и радиотехнических величин как на постоянном токе, так и в широком диапазоне частот, а также для наблюдения и исследования формы радиосигналов и характеристик радиоэлектронных устройств, генерации испытательных сигналов и питания измерительных устройств. Система обозначений данных приборов соответствует ГОСТ 15094-86 и состоит из: буквы русского алфавита, определяющей характер измерений и вид измеряемых величин; цифры (от 1 до 9), обозначающей тип 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, подвергшихся модернизации, после номера модели добавляется русская буква в алфавитном порядке (например, В7-65А); для обозначения приборов с одинаковыми электрическими характеристиками, различающимися лишь конструктивным исполнением, используется дополнительная цифра, которая пишется через дробь после номера модели (например, В7-65/1). Многофункциональные приборы могут иметь в обозначении типа дополнительную букву "К" (например, СК6-13).

А Приборы для измерения силы тока

Б Источники питания для измерений и измерительных приборов

В Приборы для измерения напряжения

Г Генераторы измерительные

Д Аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений

Е Приборы для измерения параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными

И Приборы для импульсных измерений

К Комплексные измерительные установки

Л Приборы общего применения для измерения параметров электронных ламп и полупроводниковых приборов

М Приборы для измерения мощности

Н Меры и калибраторы

П Приборы для измерения напряженности поля и радиопомех

Р Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными

С Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра

У Усилители измерительные

Ф Приборы для измерения фазового сдвига и группового времени запаздывания

Х Приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств

Ц Анализаторы логических устройств

Ч Приборы для измерения частоты и времени

Ш Приборы для измерения электрических и магнитных свойств материалов

Э Измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов

Я Блоки радиоизмерительных приборов

По методу измерений измерительные устройства бывают прямого действия, реализующие метод непосредственной оценки, и устройства использующие метод сравнения.

Простейшим является метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора.

Наиболее точным является метод сравнения измеряемой величины с однородной независимой известной величиной. По способу осуществления метод сравнения может быть нулевым, дифференциальным, методом замещения, методом совпадения. При нулевом методе (иначе методе компенсации) результирующий эффект воздействия обеих величин на измерительный прибор доводят до нуля. При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величин. При методе замещения измеряемую величину замещают (заменяют) однородной с ней величиной известного размера, который равен размеру замещенной величины, что определяется по сохранению режима в измеряемой цепи. При методе совпадения равенство значений измеряемой и известной величин фиксируется по совпадению отметок шкал, сигналов или другим признакам.

По точности измерений измерительные средства можно разделить на: эталоны, образцовые и рабочие средства измерений.

Эталон единицы - это средство измерений, обеспечивающее воспроизводство и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи ее размера образцовым и рабочим средствам измерений.

Образцовое средство измерений - мера или измерительное устройство, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочее средство измерений - средство применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единицы.

По способу обработки сигнала измерительной информации приборы делятся на аналоговые и цифровые.

В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией размера измеряемой величины, т.е. могут, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений.

В цифровых приборах непрерывная измеряемая величина дискретизируется по времени, квантуется по уровню, кодируется и в виде цифрового кода отображается на цифровом отсчетом устройстве. В результате показания цифрового прибора могут принимать лишь конечное число значений.

Цифровые средства измерения обеспечивают, как правило, большую точность и быстродействие. Однако не всегда цифровое устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) или при динамическом изменении входной величины показания аналоговых приборов воспринимаются легче, обеспечивая оперативность анализа контролируемого процесса. Поэтому для повышения информативности отсчетные устройства современных цифровых приборов могут дополняться, так называемыми, линейными шкалами - определенным образом расположенными сегментами на цифровом индикаторе.

По способу отображения результата измерения аналоговые и цифровые приборы принято разделять на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена возможность автоматической и (или) ручной регистрации показаний.

По способу применения и по конструкции измерительные устройства делятся на: щитовые, переносные (портативные) и стационарные.

1.3 Погрешности измерений и измерительных приборов

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины является погрешностью измерения.

Абсолютная погрешность измерения (Δизм.) - разность между действительным и истинным значениями измеряемой величины: Δизм.=Хд. - Хи.

Относительная погрешность измерения (δизм.) - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в %:

 (1.1)

Для проведения любого измерения необходимо правильно выбрать метод измерения, средство измерения и исполнителя (оператора), чтобы полученный результат был максимально приближен к истинному значению измеряемой величины. В противном случае появляются методические, инструментальные или субъективные погрешности измерений.

Инструментальные погрешности измерений зависят от погрешностей применяемых средств измерений.

Абсолютная погрешность измерительного прибора (Δпр.) - разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины: Δпр.=Хпр. - Хд.

Относительная погрешность измерительного прибора (δпр.) - отношение абсолютной погрешности прибора к действительному (или измеренному, Хпр.) значению величины, выраженное в %:

 (1.2)

Значение относительной погрешности зависит от значения измеряемой величины - при постоянной пр. она возрастает с уменьшением Хпр.. Поэтому максимальная точность измерений обеспечивается, когда показание прибора находится во второй половине диапазона измерений. Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора. Допускаемой погрешностью считается погрешность прибора, при которой он может быть признан годным и допущен к применению.

Для сравнительной оценки точности измерительных устройств пользуются понятием приведенной погрешности прибора (γпр.), под которой понимают выраженное в % отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению шкалы:

 (1.3)

В качестве X_N чаще всего используют конечное значение диапазона измерений.

Погрешность, свойственная измерительному прибору при его эксплуатации в нормальных условиях, называется основной погрешностью. Для большинства средств измерений нормальными условиями эксплуатации считаются следующие: температура окружающей среды 20±5°С, относительная влажность 65±15%, напряжение питания 220 В±10% с частотой 50±1 Гц. При отклонении условий эксплуатации от нормальных (при рабочих условиях) появляются дополнительные погрешности.

Погрешности некоторых измерительных приборов зависят от текущего значения измеряемой величины Хпр., поэтому погрешности таких приборов представляют двучленными выражениями, в которых первое слагаемое не зависит от Хпр. (аддитивная погрешность), а второе зависит (мультипликативная погрешность):

, (1.4)

где a, b - постоянные числа;

, (1.5)

где Хк. - верхний предел измерений прибора;

c, d - постоянные числа в %, причём

,  (1.6)

Проявление погрешностей измерений и средств измерений может носить систематический и (или) случайный характер.

Систематическая погрешность - это составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одного и того же значения физической величины.

Случайная погрешность - составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одного и того же значения физической величины. Для исключения из результата измерения случайной погрешности проводят многократные измерения и их статистическую обработку.

1.4 Общие рекомендации по подбору средств измерений

Средство измерений в зависимости от его назначения и области применения должно удовлетворять определенным требованиям, из которых наиболее общими являются следующие:

Диапазон измерений должен охватывать все практически необходимые значения измеряемой величины;

Основная и дополнительная погрешности должны соответствовать решаемым при измерениях задачам;

Приборы, предназначенные для измерения режима электрических цепей и параметров радиосигналов, не должны существенно влиять на работу исследуемых устройств. Для этого используется последовательная или параллельная схема подключения, либо режим согласованной нагрузки;

Прибор должен надежно работать при заданных условиях эксплуатации, что достигается применением современной элементной базы и высокотехнологичным монтажом. Использование передовой SMТ-технологии значительно повышает коэффициент надежности современного измерительного оборудования;

Управление прибором должно быть максимально простым и удобным для пользователя;

В эпоху глобальной компьютеризации желательно иметь прибор с возможностью подключения к компьютеру (например, через RS-232);

Прибор должен удовлетворять требованиям техники безопасности при измерениях;

Если средство измерения предполагается использовать в сфере деятельности метрологического контроля, то оно в обязательном порядке должно иметь сертификат об утверждении типа средств измерений Госстандарта России.

Актуальность последнего пункта для импортных средств измерения диктуется временем: отечественная радиоэлектронная промышленность переживает существенный спад, поэтому для насыщения российского рынка высококачественным измерительным оборудованием необходимо, в первую очередь, обеспечить его метрологический контроль. Задача по внесению средств измерений в Госреестр требует больших финансовых и временных затрат, при этом орган сертификации подтверждает заявленные производителем метрологические характеристики и проверяет их соответствие российским стандартам. В связи с этим далеко не все поставщики импортного оборудования обеспечивают сертификацию предлагаемых средств измерений.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ "СИЛА"

2.1 История понятия "сила"

Си́ла — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций.

Сила, как векторная величина, характеризуется модулем и направлением. Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение движения материальной точки совпадает по направлению с приложенной силой; по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, в инерциальных системах отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе. Деформации являются следствием возникновения в теле внутренних напряжений.

Понятие силы использовали еще ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. Представления Аристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.

С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами. Эксперименты по физике высоких энергий, проведенные в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.

Размерность силы в системах величин LMT — dim F = L M T−2, единица силы в Международной системе единиц (СИ) — ньютон (N, Н).

2.2 Законы Ньютона

Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд "Математические начала натуральной философии", в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).

2.2.1 Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчета, в которых тела сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на них со стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий. Такие системы отсчета называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждый массивный объект имеет определенный запас инерции, который характеризует "естественное состояние" движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля, который рассматривал покой "естественным состоянием" объекта. Первый закона Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из положений которой является утверждение о том, что тело может двигаться с постоянной скоростью лишь под действием силы. Тот факт, что в механике Ньютона покой физически неотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованием принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиально невозможно определить какие из них находится "в движении", а какие "покоятся". Говорить о движении можно лишь относительно какой-либо системы отсчета. Законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета, другими словами все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразований Галилея.

Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скорость и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы. Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.

2.2.2 Второй закон Ньютона

Хотя второй закон Ньютона традиционно записывают в виде: F=ma, сам Ньютон записывал его несколько иначе, используя дифференциальное исчисление.

Второй закон Ньютона в современной формулировке звучит так: в инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна векторной сумме всех сил, действующих на эту точку.

Считается, что это "вторая самая известная формула в физике", хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде.

Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, то и сила инвариантна по отношению к такому переходу.

Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, т.е. как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратное утверждение, т.е установление факта такого движения, не свидетельствует об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих эти сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю. На этом основано измерение величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.

Второй закон Ньютона позволяет измерять величину силы. Например, знание массы планеты и ее центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующую на эту планету со стороны Солнца.

2.2.3 Третий закон Ньютона

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 появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 2 со стороны тела 1. Математически закон записывается так:

 (2.1)

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами "действие-противодействие". Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел равна нулю:

 (2.2)

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, если внешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.

2.3 Фундаментальные взаимодействия

Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме. Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами, гравитационные − между массивными объектами. Сильное и слабое проявляются только на очень малых расстояниях, они ответственны за возникновение взаимодействия между субатомными частицами, включая нуклоны, из которых состоят атомные ядра.

Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряетя в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина "сила" объясняется берущей из античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действием специфических для каждого явления "сил".

Понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящими через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики избегают употреблять слово сила, заменяя его словом взаимодействие.

Каждый вид взаимодействия обусловлен обменом соответствующих переносчиков взаимодействия: гравитационное − обменом гравитонов (существование не подтверждено экспериментально), электромагнитное − виртуальных фотонов, слабое − векторных бозонов, сильное − пимезонов. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в более фундаментальное электрослабое взаимодействие. Делаются попытки объединения всех четырех фундаментальных взаимодействие в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырем фундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули, который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины, описываемая законом Гука, также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решетки вещества удерживаться около положения равновесия.

Однако на практике оказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиям задачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.

2.4 Гравитация

Гравитация (сила тяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения, сформулированным Исааком Ньютоном в его труде "Математические начала натуральной философии". Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли, положив при расчете, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел. На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой , прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

 (2.3)

Здесь G − гравитационная постоянная, значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в ее основе лежит концепция дальнодействия, противоречащая теории относительности. Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, черных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них.

Более общей теорией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. В ней гравитация не характеризуется силой. Вместо этого свободное движение тел в гравитационном поле, воспринимаемое наблюдателем как движение по искривленным траекториям в трехмерном пространстве-времени с переменной скоростью, рассматривается как движение по инерции по прямой линии в искривленном четырехмерном пространстве-времени, в котором время в разных точках течет по-разному. Причем это искривление таково, что пространственно-временной промежуток между двумя пространственно-временными положениями данного тела минимален. Искривление пространства зависит от массы тел, а также от всех видов энергии, присутствующих в системе.

2.5 Равнодействующая сила

Равнодействующая сила - геометрическая сумма всех сил, действующих на тело. При этом действие каждой силы не зависит от действия других, т.е. каждая сила сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение носит название принципа независимости действия сил.

При расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей.

3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ

3.1 Гравиметры

Рисунок 1 - Гравиметр

Согласно общепринятому определению, Гравиметр (от лат. gravis - тяжелый и ...метр), прибор для относительного измерения ускорения силы тяжести. Большинство гравиметров представляет собой точные пружинные или крутильные весы. С помощью таких гравиметров измеряют разности ускорении силы тяжести по изменению деформации пружины или угла закручивания упругой нити, компенсирующих силу тяжести небольшого грузика. Измерения проводятся последовательно на исходном пункте, для которого ускорение силы тяжести известно, и на исследуемом пункте. Основная трудность в создании гравиметра состоит в необходимости обеспечить точное измерение малых упругих деформации в полевых условиях. Применяются оптические, фотоэлектрические, емкостные, индукционные и другие способы их регистрации. Применяются гравиметры основанные на измерениях изменения частоты колебаний струны, к нижнему концу которой подвешивается масса, или изменения скорости прецессии гироскопических приборов вследствие различных значении силы тяжести на гравиметрических пунктах.

3.2 Динамометры

Рисунок 2 – Динамометр

Согласно общепринятому определению, Динамометр (от динамо... и ...метр), прибор для измерения силы или момента, 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 (100 тс). По принципу действия различают динамометры механические (пружинные или рычажные), гидравлические и электрические. Иногда в одном динамометре используют два принципа. По назначению динамометры разделяют на образцовые и рабочие (общего назначения и специальные). Образцовые динамометры. предназначены для поверки и градуировки рабочих динамометров и контроля усилий машин при испытании механических свойств различных материалов и изделий. По степени точности различают образцовые динамометры 1-го, 2-го и 3-го разрядов. Динамометры 1-го разряда предназначаются для поверки образцовых динамометров 2-го разряда, которые, в свою очередь, применяются для поверки и градуировки динамометров 3-го разряда и поверки динамометров общего назначения. Динамометры 3-го разряда служат для поверки и градуировки испытательных машин и приборов, изготовляются с упругими элементами в виде замкнутых скоб, работающих в основном на изгиб, и замкнутых скоб или стержней, испытывающих деформацию сжатия или растяжения.

3.3 Прибор для измерения силы сжатия

Прибор для измерения силы сжатия — 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 травмирования людей. Для предотвращения подобных случаев, внедрены законодательные Предписания, которые устанавливают технические Нормы, определяющие границы сил сжатия в закрывающихся системах. Эти нормы приведены на странице[1]. Данные Нормы обязательны во всех странах Европейского союза, а также используються в США, Японии, Китае, Саудовской Аравии, Австралии и других странах мира. В России такие проверки осуществляются при эксплуатации нового железнодорожного экспресса InterCityExpress (ICE) Москва-Петербург (разработка фирмы Siemens AG и Bombardier), а также в петербургском филиале автобусной фирмы "Scania AB". Прибор состоит из сенсора-приемника механического давления и электронного блока для преобразования, обработки, оценки и сохранения измеряемых величин. В зависимости от области применения, диапазона сил и других требований норм, наиболее известны следующие типы приборов: BIA Kl.1 - система для измерения и оценки силы сжатия дверей автобусов, 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 сжатия на соответствие стандартов: 2001/85/EG (для автобусных дверей), prEN 14752 (для дверей рельсовых транспортных средств),FM100 - система для измерения и оценки сил сжатия дверей и ворот. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 2000 ньютон, (пружинная константа 500 N/mm). С помощью этой системы проводится измерение силы сжатия закрывающихся дверей и ворот на соответствие стандартам: EN 12453/12445. FM200 - система для измерения и оценки сил сжатия автоматически закрывающихся окон, верхних люков и багажников в автомобилях. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 300 ньютон, (пружинная константа 10, 20, 65, 100 N/mm). С помощью данной системы проводится измерение силы сжатия автомобильных закрывающихся систем на соответствие стандартам: 2000/4/EG, FMVSS 118, 74/60 EWG. FM300 - система для измерения и оценки сил сжатия закрывающихся дверей пассажирских лифтов. Диапазон измеряемых сил: от 2 до 750 ньютон, (пружинная константа 25 N/mm). С помощью данной системы проводится измерение силы сжатия внешних и внутренних дверей пассажирских лифтов на соответствие стандартам:EN 81-1, EN 953. Эти системы, совместно с универсальным, компактным электронным блоком, обеспечивают измерение сил в статическом и динамическом режимах, с погрешностью не более +/- 3,0%. Сохраненные в электронном блоке результаты измерений, далее обрабатываются на компьютере с помощью специальной программы "Pinch Pilot".

3.4 Амперметр

Рисунок 3 - Амперметр

Амперме́тр — прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений — с шунтом или через трансформатор. (Примером амперметра с трансформатором являются "токовые клещи")

Общая характеристика.

Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол, пропорциональный величине измеряемого тока.

Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными — силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.

Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.

Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах — через трансформатор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

История наук, нуждающихся в измерениях, показывает, что точность методов измерений и измерительных приборов и построения соответственных измерений и измерительных приборов постоянно возрастают. Результатом этого роста является новая формулировка законов природы.

Измерения и измерительные приборы – законы явлений природы, как выражения количественных отношений между факторами явлений, выводятся на основании измерений этих факторов. Приборы приспособленные к таким измерениям, называются измерительными. Всякое измерение, какой бы ни было сложности, сводится к измерениям и измерительным приборам пространственности, времени, движения и давления, для чего могут быть избраны единицы мер условные, но постоянные или же так называемые абсолютные.

Как бы старательно ни делались измерения и измерительные приборы при повторении их, в обстоятельствах опыта, по-видимому одинаковых, всегда замечаются нетождественные результаты. Сделанные наблюдения требуют математической обработки, иногда весьма сложной; только после этого можно пользоваться найденными величинами для тех или других выводов.

Цель изучения измерительных приборов состоит в том, чтобы будущий инженер получил необходимый минимум теоретических знаний о методах измерений, устройстве и принципе работы современных приборов и электронных устройств, используемых в современной электротехнике.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л., 1987. – 321с.

2. Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин. М., 1982 – 245с.

3. ГОСТ 15094-86 Средства измерений электронные. Наименования и 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.