Бауман Э.

Измерения сил электрическими методами

СИЛА КАК ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА

Сила — одна из основных величин в механике. Во многих случаях она наряду со временем и длиной выбирается в качестве одной из трех основных величин в системе величин этой области физики.

Первоначальное представление о силе как понятии исходило из веса и мускульного усилия, необходимого для его уравновешивания. Более глубокое рассмотрение приводит к анализу физических проявлений силы: ускорений и деформаций.

Связь между силами и ускорениями была впервые установлена и описана Ньютоном. В соответствии со вторым законом Ньютона сила равна произведению скалярной массы тела т на его векторное ускорение

.                                                              (2.1)

Если известна масса, то из уравнения (2.1) можно определить действующую силу путем измерения ускорения.

Особым видом силы является вес G. Он возникает под действием ускорения земного притяжения g на массу т и в вакууме равен

G=mg.                                                             (2.2)

Вес G (в сущности ) всегда направлен к центру масс Земли.

При более точном определении веса должна приниматься во внимание зависимость ускорения земного притяжения от географических координат и высоты над уровнем моря, причем, кроме того, необходимо учитывать выталкивающую силу воздуха. Зависимость ускорения от местоположения определяется посредством зависимости, установленной в 1930 г. :

g = 9,780490 (1+ 5,2884•10-3 sin2а — 5,9 •10-6 sin2а) м • с-2,                           (2.3)

где а — географическая широта. На рис. 1.1 показана эта зависимость вместе с зависимостью ускорения от высоты над уровнем моря.

Рисунок 1.1 - Зависимость ускорения земного притяжения g от географической широты a и высоты h над уровнем моря

При обычной точности определения массы возможны расхождения полученных значений, которые следует учитывать. Кажущееся изменение веса под действием выталкивающей силы воздуха определяется из соотношения (рис. 1.2):

.

Рисунок 1.2 - Кажущееся изменение веса G из-за выталкивающей силы воздуха как функция плотности (однородного) объекта измерения

По этой причине у особо лёгких материалов имеет место изменение веса, которым нельзя пренебрегать.

Связь между силами и деформациями была впервые описана Гуком (закон Гука), и для определенных простых случаев может быть представлена в обобщенной форме

,

где с — жесткость деформируемого тела в месте приложения силы;

— вектор возникшей в этом месте деформации.

В тех системах, где происходят процессы деформации, интерес представляют напряжения материала (и сами деформации), которые связаны со статически действующими силами.

Таким образом, можно сформулировать три основные задачи силоизмерительной техники (рис. 1.3):

а) измерение сил, действующих на ускоряемые массы;

б) измерение веса, вернее массы, при известном ускорении под действием земного притяжения;

в) измерение сил для определения напряжений и деформаций.

Рисунок 1.3 - Основные задачи силоизмерительной техники

Задача (а) может быть сведена при известной массе тела к измерению ускорения. Этот вопрос, однако, является предметом обширной специальной литературы и поэтому здесь в дальнейшем не рассматривается. Задачи (б) и (в) относятся к области собственно силоизмерительной техники.

Единицей измерения силы в системе СИ является международно признанная единица “ньютон” (Н). 1 ньютон — это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м • с-2:

1Н = 1м • кг • с-2.

В международной практике ньютон получает все более широкое распространение. Ранее применялись так называемые технические единицы силы, выведенные из веса. При этом в качестве единицы силы принимался <нормальный вес>, т. е. вес единицы массы в 1 кг в месте действия нормального ускорения земного притяжения gn.

Значение gn было установлено в 1901 г. для географической широты, соответствующей примерно 45° :

gn = 9,80665 м с-2.

Единица силы, установленная таким образом, сначала называлась “килограмм-силой” в противоположность “килограмм-массе”, а позже — “килограммом”. В результате между инженерами и физиками возникли недоразумения, которые были устранены только введением для килограмм-силы наименования килопонд.

1 кр = 1 кгс = 9,80665 м • кг • с-2 = 9,80665 Н.

В настоящее время в международной практике пока еще употребляются и другие единицы измерения силы. Эти важнейшие единицы и их переводные коэффициенты приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Соотношение единиц измерения силы

 

Ньютон (Н)

Дина (дин)

Килограмм-сила (кгс)

Фунт-сила (lbf)

Унция (oz)

Ньютон

Дина

Килограмм-сила

Фунт-сила

Унция

1

10-5

9,80665

4,448187

0,278014

105

1

9,80665× 10-5

4,448187× 105

2,78014× 104

0,101972

1,01972× 10-6

1

0,45359

28,3495× 10-3

0,224811

2,24810× 10-6

2,204622

1

6,24999× 10-2

3,59695

3,59695× 10-5

35,27396

16,0000

1