น้ำหนักวัดด้วยตาชั่ง ระยะทางด้วยไม้บรรทัด ความดันด้วยมาโนมิเตอร์ ฯลฯ ได้มีการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ใช้วัดแรงหรือไม่? เครื่องมือดังกล่าวมีอยู่อย่างแน่นอน เรียกว่าไดนาโมมิเตอร์ ด้วยมือของคุณเองที่บ้าน อย่างไรก็ตาม การสร้างอุปกรณ์ที่เรียบง่ายแต่ค่อนข้างมีประสิทธิภาพสำหรับการวัดแรง ไดนาโมมิเตอร์แบบเอกสิทธิ์เฉพาะของคุณเอง
มวล,แรง,น้ำหนัก
ในการสนทนา เรามักสับสนระหว่างแนวคิด เช่น มวลและน้ำหนัก อะไรคือความแตกต่างระหว่างพวกเขา? ตัวอย่างเล็กๆ. เรามี kettlebell ยิมนาสติกน้ำหนัก 32 กก. นี่คือปริมาณที่ตาชั่งในครัวเรือนของเราจะแสดงให้เห็น หากเราใส่ผลิตภัณฑ์เหล็กนี้ลงไป ให้จิตเคลื่อนไปสู่ผิวดวงจันทร์ ค่าที่อ่านได้ของเครื่องชั่งที่เราจะนำติดตัวไปด้วยจะเปลี่ยนไปและจะเหลือเพียง 5 กก. 120 กรัม แต่บนดาวเคราะห์ดวงที่ใหญ่ที่สุดในโลกในระบบของเราคือดาวพฤหัสบดีที่มีแรงโน้มถ่วงมากที่สุด เครื่องชั่งจะแสดงทั้งหมด 84.5 กก. มวลของ kettlebell เปลี่ยนไปหรือไม่? เลขที่
มันเป็นไปได้อย่างไร? ลองวางน้ำหนักในอวกาศซึ่งในสภาวะไร้น้ำหนักเครื่องชั่งจะแสดงเป็นศูนย์เลย น้ำหนักหาย? เพื่อให้แน่ใจว่าไม่ใช่กรณีนี้ การกระจายอุปกรณ์ยิมนาสติกของเราด้วยความเร็วที่เหมาะสมและนำไปยังเป้าหมายหนึ่งหรืออีกเป้าหมายหนึ่งจึงเป็นสิ่งที่คุ้มค่า หากทำการทดลองซ้ำกันบนดวงจันทร์ โลก และดาวพฤหัสบดี โดยมีเงื่อนไขว่าความเร็วในขณะที่ชนกับสิ่งกีดขวางจะเหมือนกัน การทำลายก็จะเหมือนกัน
มวลของ kettlebell ในตัวอย่างทั้งหมดยังคงเป็น 32 กก. มีอะไรเปลี่ยนแปลงบ้าง? แรงที่น้ำหนักกดลงบนแท่นชั่ง และเพื่อวัด แรงนี้ เรียกว่า "น้ำหนัก" ไม่ใช่หน่วยกิโลกรัม แต่เป็นนิวตัน
แรงหนึ่งนิวตันเท่ากับน้ำหนักของโหลด 102 กรัมบนพื้นผิวโลก
ดังนั้น เมื่อทำไดนาโมมิเตอร์ด้วยมือของเราเอง เราจะสามารถวัดปริมาณทางกายภาพที่สำคัญเช่นแรงได้
หลักการทั่วไปของการออกแบบไดนาโมมิเตอร์
แรงโน้มถ่วงไม่ค่อยได้ใช้วัดแรง สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ไม่สะดวกเท่านั้น (ตุ้มน้ำหนักหรือตุ้มน้ำหนักสามารถทำงานในแนวตั้งเท่านั้น) แต่ยังไม่ถูกต้องทั้งหมดด้วย ความจริงก็คือโลกของเราไม่ได้เป็นทรงกลม เป็นรูปรี แบนเล็กน้อยที่เสา ดังนั้นระยะทางที่เส้นศูนย์สูตรถึงศูนย์กลางของโลกจึงมากกว่าที่ขั้วโลก นอกจากนี้ ที่เส้นศูนย์สูตร วัตถุใดๆ ก็ตามได้รับผลกระทบจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางซึ่งลดน้ำหนักลงเล็กน้อยจึงรับประกันว่าน้ำหนักจะลด (แม้ว่าจะไม่มาก 0.5% เท่านั้น) คุณเพียงแค่ต้องเดินจากขั้วโลกไปยังเส้นศูนย์สูตร
ดังนั้น ในการวัดแรง อุปกรณ์บนองค์ประกอบยืดหยุ่นจึงมักถูกใช้บ่อยที่สุด และบางครั้งก็จำเป็นต้องวัดแรงที่มีขนาดมหึมา เช่น แรงขับของเครื่องยนต์ของจรวดขนส่ง ใครจะจินตนาการได้ว่าไดนาโมมิเตอร์ควรเป็นอย่างไร
ทำเองได้ไม่ยาก แต่หลักการทำงานของ "เครื่องวัดกำลัง" ทั้งหมดเหมือนกัน: แรงทำให้องค์ประกอบยืดหยุ่นผิดรูป อุปกรณ์จะแก้ไขค่าของการเสียรูปนี้
ไดนาโมมิเตอร์มาตรฐาน
ในห้องปฏิบัติการของบทเรียนฟิสิกส์ของโรงเรียน มีการใช้อุปกรณ์สปริงแบบธรรมดาเพื่อวัดแรง พิจารณาวิธีทำไดนาโมมิเตอร์ด้วยมือของคุณเองไม่แย่ไปกว่าแบบโรงเรียน
พื้นฐานของการประกอบอุปกรณ์ทั้งหมดคือไม้กระดานธรรมดาหรือแถบโพลีคาร์บอเนต, พลาสติก, ดีบุก มีตัวเลือกมากมาย มีสปริงอยู่บนจานซึ่งปลายด้านหนึ่งยึดไว้อย่างแน่นหนาส่วนปลายอีกด้านเชื่อมต่อกับร่างกายซึ่งกำลังส่งผ่าน ตามกฎแล้วนี่คือขอเกี่ยวเหล็ก ระดับการยืดตัวของสปริงเป็นสัดส่วนกับแรงที่ใช้ ปริมาณของการเปลี่ยนรูปจะปรากฏบนมาตราส่วนซึ่งใช้ในหน่วยนิวตัน นี่คือวิธีการทำงานของไดนาโมมิเตอร์ ทำเองได้ที่บ้าน ไม่ต้องใช้สปริง วัสดุยืดหยุ่น เช่น ยางยืด ก็ใช้ได้ดี
การปรับเทียบ
เพื่อให้เครื่องวัดแรงทำงาน ต้องสอบเทียบ คุณสามารถใช้แรงโน้มถ่วงทำเช่นนี้ได้ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแรงหนึ่งนิวตันสอดคล้องกับน้ำหนัก 102 กรัม ไดนาโมมิเตอร์ถูกปรับเทียบด้วยมือของคุณเองตามลำดับต่อไปนี้:
- ไดนาโมมิเตอร์เป็นแนวตั้ง;
- ในขณะที่สปริงไม่โหลด ตำแหน่งตัวชี้จะเท่ากับ 0;
- ไดนาโมมิเตอร์บรรจุน้ำหนัก 102 กรัม เครื่องหมาย 1 นิวตัน
- น้ำหนัก 204 กรัมจะให้ตำแหน่ง 2 นิวตันเป็นต้น
อย่างที่คุณเห็น ตั้งค่าไดนาโมมิเตอร์ทำเองได้ง่ายๆ
การออกแบบไดนาโมมิเตอร์ "บ้าน" ที่แตกต่างกัน
จำเป็นต้องตัดสินใจเกี่ยวกับภาระที่จะวัด และควรทำการคำนวณก่อนทำไดนาโมมิเตอร์ ด้วยมือของคุณเอง คุณสามารถสร้างทั้งอุปกรณ์ที่ทรงพลังและอุปกรณ์ขนาดเล็ก แต่ละเอียดอ่อนกว่า และมีตัวเลือกการออกแบบมากมาย
ตัวอย่างเช่น การทำไดนาโมมิเตอร์ด้วยมือของคุณเองจากยางทำได้ง่าย ไม่ต่างจาก "โรงเรียน" แบบคลาสสิก ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือแทนที่จะใช้สปริง จะใช้ยางยืดที่เข้าถึงได้ง่ายกว่า เช่น จากเบ็ดตกปลาด้านล่างหรือเครื่องบินจำลอง
ด้วยจินตนาการเล็กน้อย กระบอกฉีดยาแบบใช้แล้วทิ้งธรรมดาจะกลายเป็นอุปกรณ์สำหรับวัดความแรง อุปกรณ์ดังแสดงในภาพ สิ่งเดียวที่ต้องโฟกัสคือลูกสูบกระบอกฉีดยา ซึ่งต้องหมุนไปรอบๆ (หรือตัดด้วยมีดคมๆ) เพื่อให้เคลื่อนที่ภายในกระบอกฉีดยาโดยไม่ต้องใช้ความพยายาม
หากต้องการ คุณสามารถสร้างไดนาโมมิเตอร์ด้วยมือของคุณเองจากปากกา ปากกาลูกลื่นธรรมดาที่มีสปริง
คันเบ็ดต้องล้างหมึก บดปลายลูกเขียนแล้วสอดคลิปหนีบกระดาษธรรมดาเข้าไป
ไดนาโมมิเตอร์บนองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก
ไดนาโมมิเตอร์สำเร็จรูปในครั้งล่าสุดมักทำขึ้นโดยใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก - คริสตัลที่ปลายซึ่งในระหว่างการบีบอัดทางกล จะมีความต่างศักย์ (แรงดัน) ปรากฏขึ้น นอกจากนี้ ขนาดของความต่างศักย์นี้ยังขึ้นอยู่กับระดับการบีบอัด
ไดนาโมมิเตอร์ประเภทนี้โดดเด่นด้วยการไม่มีจังหวะของก้าน (คุณเพียงแค่กดองค์ประกอบที่ละเอียดอ่อน) ความแม่นยำสูงสุดและช่วงการวัดที่กว้าง องค์ประกอบ Piezo ถูกใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนสำหรับการวัดแรงขนาดเล็กและไดนาโมมิเตอร์ซึ่งวัดแรงฉุดลากของรถแทรกเตอร์ได้อย่างแม่นยำ