ТЕМА : ВЕС ТЕЛА. ЕДИНИЦЫ СИЛЫ. ДИНАМОМЕТР.
Цель урока : дать понятие вес тела, установить отличия веса тела от силы тяжести; ввести единицу силы; узнать каким прибором измеряют вес тела.
Оборудование: компьютер, экран, проектор, весы напольные, динамометр, измерительные цилиндры, грузы.
План урока:
Организационный момент (1мин)
Проверка домашнего задания (7 мин)
Изучение нового материала (18 мин)
а) Вес тела. Единицы силы.
б) Динамометры. Виды динамометров.
в) Вес тела и его вычисление.
4. Физкультминутка (задачка Г.Остера)
5. Решение задачи. Закрепление пройденного материала (10 мин)
6. Итоги урока. Домашнее задание (1 мин)
Ход урока.
1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний.
Начнём урок с того, что вспомнили с вами некоторые физические величины и термины, с которыми познакомились ранее.
Физический диктант:
Какой величиной обозначается сила тяжести? В чем измеряется?
Как направлена сила тяжести?
Какой величиной обозначается сила упругости? В чем измеряется?
Как направлена сила упругости?
Записать формулу закона Гука?
1) Разделить данные физические величины на векторные и скалярные: масса, сила тяжести, скорость, время, длина, инерция и сила упругости.
(скалярные: масса, время, длина; векторные: сила тяжести, скорость, сила упругости. Инерция – это не физическая величина, это явление).
Дополнительный вопрос: дайте определение, Что называется массой тела. (это физическая величина, которая является мерой инертности тела ).
Дополнительный вопрос: Что такое деформация? (деформация – это изменение формы или размера тела )
2) Изобразите графически силу тяжести, действующую на кирпич, лежащий на поверхности Земли.
Дополнительный вопрос: почему капли дождя падают на землю, а не летят обратно к облакам? (на капли дождя действует сила тяжести)
Итак, мы вспомнили с вами некоторые физические величины и термины, с которыми познакомились ранее, давайте двигаться дальше.
3. Изучение нового материала.
Какой вес мальчика,?
Правильно ли мы скажем, что вес мальчика - __ кг?
Проведём голосование. Поднимите руки, кто считает, что так говорить правильно. А теперь те, кто считает, что говорим неправильно. Мнения разделились. Не будем спорить, кто прав, а кто нет. Разобраться в этом вам поможет новая тема «Вес тела ». Запишем ее в тетрадь.
- Вес тела – это физическая величина. Мы с вами уже выработали план по изучению физических величин. Вспомнив его, скажите, что мы сегодня должны узнать про вес тела?
1. Определение.
2. Вектор или скаляр.
3. Обозначение.
4. Формула.
5. Единица измерения.
6. Прибор для измерения.
Эти пункты плана и будут целью нашего урока, а кроме этого, мы ответим на поставленный вопрос.
- (Слайд4) Тигренок лежит на доске(опоре). Когда тело ставили на опору, сжималось не только опора, но и тело притягиваемое Землей. Деформированное, сжатое тело давит на опору с силой, которую называют весом тела.
Если тело подвешено на нити (подвесе), то растянута не только нить, но и само тело.
- Записываем: Вес тела - это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес .
А как вы думаете, вес это векторная или скалярная величина? (раз это сила, то векторная величина)
Вес тела – это векторная физическая величина
А каково направление веса тела? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним направление силы тяжести. Правильно, сила тяжести всегда направлена вертикально вниз, значит и вес тела тоже, так как эта сила возникает вследствие притяжения к Земле.
Буквенное обозначение: Р
Формула. Р = F тяж (тело и опора или подвес неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно)
Довольно часто вес тела равен действующей на него силе тяжести.
F тяж приложена к телу
Р вес приложен к опоре(подвесу)
В каких единицах измеряется сила?
В честь английского физика И. Ньютона эта единица названа ньютоном - 1Н
1кН=1000Н; 1Н= 0,001кН
F тяж = m ∙ g – формула силы тяжести
Р = F тяж = m ∙ g m = Р/ g ; g = Р/ m
F тяж – сила тяжести [Н]
m - масса [кг]
g – ускорение свободного падения [Н/кг]
g = 9,8 [Н/кг]; g = 10 [Н/кг];
(Слайд5) на практике измеряют силу, с которой одно тело действует на другое.
Для измерения силы – используют ДИНАМОМЕТР
Используется : для закручивания гаек - есть такой динамометрический ключ, чтобы и гайку не свернуть, и затянуть надежно; измеряют кистевой мышечный тонус для общей работоспособности и силы человека,
Опыт Возьмем динамометр и подвесим к нему гирьку массой 102 г. В состоянии покоя ее вес равен 1 Н. И действительно, если гирька будет неподвижно висеть на крючке динамометра, то он покажет именно 1 Н. Но если же динамометр качать вверх - вниз или влево - вправо, то он покажет, что вес гири стал другим. На рисунке, например, он равен 4 Н. Масса тел и сила тяжести при этом не менялись.
Итак, многочисленные опыты показывают, что вес тела равен действующей на него силе тяжести, когда тело и его опора (подвес) покоятся или движутся вместе равномерно и прямолинейно.
Р = F тяж .
Заметим также, что числовые значения веса и силы тяжести могут быть равны, однако точки их приложения всегда различны. Сила тяжести всегда приложена к самому телу, а его вес – к подвесу или опоре .
[ P ] = [ 1 Ньютон ] = [ 1 H ]
Упр.9 (2,3)(решаем)
Подведение итогов:
как называется прибор для измерения силы?
Динамометр – это прибор …. (для измерения веса тела)
Какой вес Миши,? Правильно ли мы скажем, что вес Миши - __ кг?
(нет потому, что вес тела измеряют динамометром) и измеряется в Н, масса тела измеряется прибором весами --- кг) (Слайд7)
Формула силы тяжести какая?
Что на уроке у вас не вызвало затруднением?
Что оказалось для вас сложным?
Массой тела называют ФВ, являющуюся мерой его инерционных и гравитационных свойств, т.е. масса тела m есть его физическое свойство, определяемое соотношением между действующей на это тело силой тяжести G и сообщаемой ею телу ускорением: G = mg , H
Ускорение силы тяжести = Ускорение силы притяжения + Цетростремительное ускорение
Весом тела называют силу P, с которой это тело действует вследствие тяготения к Земле на опору, удерживающую тело от свободного падения.
Если тело и опора неподвижны относительно Земли, то вес тела равен его силе тяжести: P = G.
Масса тела m в отличие от его силы тяжести G независима от места нахождения тела на Земле или на другой планете
Единицей массы является международный прототип килограмма, хранящийся в Международном бюро мер и весов в Севре (предместье Парижа).
Прототип (МЭ №12) представляет собой прямой круговой цилиндр из платины-иридия (90 % платины, 10 % иридия) высотой 39 мм и диаметром 39 мм, масса которого с точностью до 0,01 мг в течение более 1000 лет должна оставаться неизменной. Масса утвержденных для сравнения национальными прототипами рабочих эталонов может быть определена с точностью (1÷3)·10 -9
Схема передачи единицы массы
Гири подразделяют на: гири эталонные; гири общего назначения; гири специального назначения.
2.2. Весоизмерительные приборы
Весы - прибор для измерения массы, путём использования эффекта гравитационных сил
Дозаторы – технологические весы для определения необходимых составных частей какого-либо продукта в производственном процессе
По назначению весоизмерительные и весодозирующие устройства можно разделить на группы:
В зависимости от способа преобразования измерительного сигнала весы и весовые дозаторы разделяются на:
механические;
электромеханические;
оптикомеханические;
радиоизотопные
В зависимости от назначения, конструкции, способа установки весы и весовые дозаторы разделяются на:
Весы дискретного действия: Лабораторные; Настольные; Платформенные; для металлургии
Весы непрерывного действия: Конвейерные; Ленточные
Дозаторы дискретного действия: Порционные; Для фасовки; Линии автоматические
Дозаторы непрерывного действия: С регулировкой подачи материала на транспортёр; С регулировкой скорости ленты транспортёра
В зависимости от способа преобразования измерительного сигнала весы и весовые дозаторы разделяются на:
|
Весы |
|||
|
Механические |
Электромеханические |
Оптикомеханические |
Радиоизотопные |
|
Рычажные |
С емкостными преобразователями |
С зеркальным указательным устройством |
Абсорбци-онные |
|
Пружинные |
С тензорезисторными преобразователями |
С интерференционным указательным устройством |
Рассеянного излучения |
|
Поршневые |
С индуктивными преобразователями | ||
|
С пьезоэлектрическими преобразователями | |||
Рычажные весы состоят из:
Грузоприемного устройства, на которое помещают взвешиваемый груз;
Рычажной системы, воспринимающей нагрузку от грузоприемного устройства;
Указательного устройства;
Станины или основания (фундамента), на которых смонтированы все устройства.
Помимо этих основных частей весы могут содержать ряд вспомогательных устройств:
– арретир - для прекращения колебаний,
– изолир - для освобождения призм от нагрузки,
– отвес или уровень - для контроля установки в рабочее положение,
– успокоитель - для превращения периодических колебаний в апериодические,
– оптическое устройство - для увеличения разрешительной способности.
Рычаг представляет собой твердое тело, к которому приложены силы, стремящиеся вращать это тело вокруг какой-либо оси (точки опоры).
Существуют рычаги 1 и 2 рода:
В рычаге 1 рода силы приложены по обе стороны от точки опоры и действуют в одном направлении.
В рычаге 2 рода силы приложены по одну сторону от точки опоры и действуют в противоположных направлениях.
Рычаги характеризуются: Моментом силы ; Передаточным числом рычага(Обратная величина - отношение плеч )
Пружинные весы состоят из:
Крутильные – приложенная нагрузка уравновешивается крутящим моментом упругой нити.
Торсионные – нагрузка уравновешивается крутящим моментом пружины (плоской спиральной).
Пружина должна обладать свойствами :
Характеристика пружины должна быть линейна на всём диапазоне измерений;
Жесткость, то есть отношение расстояния к нагрузке, при изменениях температуры оставаться постоянной;
Гистерезис, то есть расхождение возрастающей и убывающей ветвей характеристики пружины, должен быть мал;
В материале пружины не должны возникать явления усталости.
По назначению лабораторные весы делятся на весы:
Общего назначения,
Образцовые,
Специального назначения
Специальной конструкции
В зависимости от способа установки весы для статистического взвешивания разделяются на:
настольные (от 1 до 50 кг);
передвижные (от 50 до 6000 кг);
стационарные (от 5 до 1000 т)
По типу отсчетного устройства, применяемого для статистического взвешивания, различают весы :
с указателем равновесия;
с коромысловым шкальным уравновешивающим устройством;
с циферблатным отсчетным устройством;
с проекционным отсчетным устройством;
с дискретно-цифровым отсчетным устройством;
Основная МХ весов для статистического взвешивания – поверочная цена деления - е
е весов для статистического взвешивания с аналоговыми отсчетными устройствами принимается равной цене наименьшего деления шкалы d
е весов с дискретными отсчетными устройствами может превышать значение единицы дискретности отсчета d в целое число раз r , не превышающее 10
Установлено два класса точности весов для статистического взвешивания:
Весы, обладающие количеством поверочных цен делений более 500 е, относят к весовым приборам среднего класса точности, имеющим обозначение ;
Весы, обладающие количеством поверочных цен делений 500 е и менее, относят к приборам обычного класса точности, имеющим обозначение
Простейшим прибором для определения массы и веса являются рычажные весы, известные примерно с пятого тысячелетия до н.э. Они представляют собой балку, имеющую опору в своей средней части. На каждом конце балки имеются чашки. На одной из них помещается объект измерения, а на другую накладываются грузы стандартных размеров до приведения системы в равновесие. В 1849 г. француз Жозеф Беранже (Joseph Beranger) запатентовал усовершенствованные весы подобного типа. Они имели систему рычагов под чашками. Такое устройство было очень популярным в течение многих лет в торговле и на кухнях.
Вариантом рычажных весов является безмен (steelyard), известный с эпохи античности. В этом случае точка подвеса находится не в середине балки, стандартный груз имеет постоянную величину. Равновесие устанавливается изменением положения точки подвески, а балка предварительно градуируется (по правилу рычага).
Роберт Гук, английский физик в 1676 г. установил, что деформация пружины или упругого материала пропорциональна величине приложенной силы. Этот закон позволил ему создать пружинные весы. Такие весы измеряют силу, поэтому на Земле и на Луне они покажут разный численный результат.
В настоящее время для измерения массы и веса используются различные методы на основе получения электрического сигнала. В случае измерения очень больших масс, например большегрузного автомобиля, применяют пневматические и гидравлические системы
Приборы для измерения времени
Первым в истории измерителем времени стало Солнце, вторым - течение воды (или песка), третьим - равномерное сгорание особого топлива. Возникнув в глубокой древности, солнечные, водяные и огневые часы дожили до нашего времени. Задачи, которые в древности стояли перед создателями часов, сильно отличались от современных. От измерителей времени не требовалось особой точности, зато они должны были делить дни и ночи на одинаковое количество часов разной длины в зависимости от времени года. И поскольку практически все приборы для измерения времени были основаны на достаточно равномерных явлениях, древним «часовщикам» для этого приходилось идти на различные хитрости.
Солнечные часы.
Самые древние солнечные часы найдены в Египте. Интересно, что в ранних солнечных часах Египта использовалась тень не столба или стержня, а края широкой пластины. При этом измерялась только высота Солнца, а его движение вдоль горизонта не учитывалась.
С развитием астрономии было понято сложное движение Солнца: суточное вместе с небом вокруг оси мира и годовое вдоль зодиака. Стало ясно, что тень будет показывать одинаковые отрезки времени вне зависимости от высоты Солнца, если стержень направить параллельно оси мира. Но в Египте, Месопотамии, Греции и Риме день и ночь, начало и конец которых отмечали восходы и заходы Солнца, делили вне зависимости от их длины на 12 часов, или, более грубо, по времени смены караулов, на 4 «стражи» по 3 часа каждая. Поэтому на шкалах требовалось отмечать неравные часы, привязанные к определенным частям года. Для крупных солнечных часов, которые устанавливались в городах, удобнее были вертикальные гномоны-обелиски. Конец теми такого обелиска описывал на горизонтальной площадке подножья симметричные кривые линии, зависящие от времени года. Ряд этих линий наносили на подножье, поперек проводили другие линии, соответствующие часам. Таким образом, человек, глядящий на тень, мог узнать и час, и примерно месяц года. Но плоская шкала занимала много места и не могла вместить тени, которую гномон отбрасывает при низком Солнце. Поэтому в часах более скромных размеров шкалы располагались на вогнутых поверхностях. Римский архитектор I в. до н.э. Витрувий в книге «Об архитектуре» перечисляет больше 30 типов водяных и солнечных часов и сообщает некоторые имена их создателей: Евдокс Киидский, Аристарх Самосский и Аполлоний Пергамский. По описаниям архитектора трудно составить представление о конструкции тех или иных часов, но с ними удалось отождествить многие из найденных археологами остатков древних измерителей времени.
Солнечные часы имеют большой недостаток - неспособность показывать время ночью и даже днем в облачную погоду, зато они имеют по сравнению с другими часами важное преимущество - непосредственную связь со светилом, определяющим время суток. Поэтому они не потеряли практического значения даже в эпоху массового распространения точных механических часов, которые требуют проверки. Стационарные средневековые солнечные часы стран ислама и Европы мало отличались от античных. Правда, в эпоху возрождения, когда стала цениться ученость, в моду вошли сложные комбинации шкал и гномонов, служившие для украшения. Например, в начале XVI в. в университетском парке Оксфорда был установлен измеритель времени, который мог служить наглядным пособием по устройству разнообразных солнечных часов. С XIV в., когда стали распространяться механические башенные часы, в Европе постепенно отказались от деления дня и ночи на равные отрезки времени. Это упростило шкалы солнечных часов, и ими стали часто украшать фасады зданий. Чтобы настенные часы могли показывать утреннее и вечернее время летом, их иногда делали двойными с циферблатами на сторонах выступающей из стены призмы. В Москве вертикальные солнечные часы можно видеть на стене здания Российского гуманитарного университета на Никольской улице, а в парке музея Коломенское есть горизонтальные солнечные часы, к сожалению, без циферблата и гномона.
Наиболее грандиозные солнечные часы были сооружены в 1734 г. в городе Джайпуре магараджей (правителем области) и астрономом Савай-Джай Сингхом (1686-1743 гг.). Их гномоном служила треугольная каменная стена с высотой вертикального катета 27 м и гипотенузой длиной 45 м. Шкалы располагались на широких дугах, по которым тень гномона двигалась со скоростью 4 м в час. Однако Солнце на небе выглядит не точкой, а кругом с угловым диаметром около половины градуса, поэтому из-за большого расстояния между гномоном и шкалой, край тени был нечетким.
Большим разнообразием отличались портативные солнечные часы. В раннем средневековье применялись в основном высотные, не требовавшие ориентации по странам света. В Индии были распространены часы в виде граненого посоха. На гранях посоха наносились часовые деления, соответствующие двум месяцам года, равноудаленным от солнцестояния. Гномоном служила игла, которая вставлялась в отверстия, сделанные выше делений. Для измерения времени посох вертикально подвешивали на шнуре и поворачивали иглой в сторону Солнца, тогда тень иглы показывала высоту светила.
В Европе подобные часы оформлялись в виде небольших цилиндров, с рядом вертикальных шкал. Гномоном служил флажок, укрепленный на поворотном навершии. Его устанавливали над нужной часовой линией и поворачивали часы так, чтобы его тень была вертикальной. Естественно, шкалы таких часов были «привязаны» к определенной широте местности. В XVI в. в Германии были распространены универсальные высотные солнечные часы в виде «кораблика». Время в них отмечал шарик, помещенный на нити отвеса, когда инструмент наводили на Солнце так, чтобы тень «носа» точно покрывала «корму». Регулировка по широте производилась наклоном «мачты» и передвижением по ней планки, на которой закреплялась нить отвеса. Основной недостаток высотных часов - трудность определения по ним времени ближе к полудню, когда Солнце крайне медленно меняет высоту. В этом смысле часы с гномоном значительно удобнее, но их необходимо устанавливать по странам света. Правда, когда их предполагается долго использовать на одном месте, можно найти время и для определения направления меридиана.
Позже переносные солнечные часы стали снабжать компасом, который позволял быстро устанавливать их в нужном положении. Такие часы применялись до середины XIX в. для проверки механических, хотя они и показывали истинное солнечное время. Наибольшее отставание истинного Солнца от среднего в течение года составляет 14 мин. 2 сек., а наибольшее опережение - 16 мин. 24 сек., но поскольку длины соседних суток отличаются ненамного, это не вызывало особых затруднений. Для любителей выпускались солнечные часы с полуденной пушкой. Над игрушечной пушечкой помешалось увеличительное стекло, которое выставлялось так, чтобы в полдень собранные им солнечные лучи достигали запального отверстия. Порох загорался, и пушка стреляла, естественно, холостым зарядом, оповещая дом, что настал истинный полдень и пора проверять часы. С появлением телеграфных сигналов точного времени (в Англии с 1852 г., а в России с 1863 г.) часы стало возможно проверять в почтовых отделениях, а с появлением радио и телефонных «говорящих часов», эра солнечных часов закончилась.
Водяные часы.
Религия древнего Египта требовала выполнения ночных ритуалов с точным соблюдением времени их исполнения. Время ночью определялось по звездам, но для этого применялись и водяные часы. Самые древние из известных египетских водяных часов относятся к эпохе фараона Аменхотепа III (1415-1380 гг. до н.э). Они были сделаны в виде сосуда с расширяющимися стенками и небольшим отверстием, из которого понемногу вытекала вода. О времени можно было судить по ее уровню. Чтобы отмерять часы разной длины, на внутренних стенках сосуда наносили несколько шкал, обычно в виде ряда точек. Египтяне той эпохи делили ночь и день на 12 часов, и в каждом месяце пользовались отдельной шкалой, вблизи которой ставилось его название. Шкал было 12, хотя хватило бы шести, поскольку длины дней, находящихся на одном расстоянии от солнцестояний, практически одинаковы. Известен и другой тип часов, в котором мерная чаша не опорожнялась, а наполнялась. В этом случае вода в нее поступала из поставленного выше сосуда в виде павиана (так египтяне изображали бога мудрости Тота). Коническая форма чаши часов с вытекающей водой способствовала равномерному изменению уровня: при его понижении падает давление воды, и она вытекает медленнее, но это компенсируется уменьшением площади ее поверхности. Трудно сказать, была ли эта форма выбрана для достижения равномерности «хода» часов. Может быть, сосуд сделали таким, чтобы было легче рассматривать нарисованные на его внутренних стенках шкалы.
Измерение равных часов (в Греции их называли равноденственными) требовалось не только астрономам; ими определяли длину речей в суде. Это было необходимо, чтобы выступавшие со стороны обвинения и защиты находились в равных условиях. В сохранившихся речах греческих ораторов, например, Демосфена встречаются просьбы «остановить воду», очевидно, обращенные к служителю суда. Часы останавливали на время чтения текста закона или опроса свидетеля. Такие часы называли «клепсидрой» (по-гречески «крадущей воду»). Это был сосуд с отверстиями в ручке и на днище, в который заливалось определенное количество воды. Для «остановки воды», очевидно, затыкали отверстие в ручке. Небольшие водяные часы использовались и в медицине для измерения пульса. Задачи по измерению времени содействовали развитию технической мысли.
Сохранилось описание водяного будильника, изобретение которого приписывается философу Платону (427-347 гг. до н.э.). «Будильник Платона» состоял из трех сосудов. Из верхнего (клепсидры) вода поступала в средний, в котором находился перепускной сифон. Приемная трубка сифона заканчивалась около дна, а спускная входила в третий пустой закрытый сосуд. Он в свою очередь был соединен воздушной трубкой с флейтой. Действовал будильник так: когда вода в среднем сосуде покрывала сифон, он включался. Вода быстро переливалась в закрытый сосуд, вытесняла из него воздух, и флейта начинала звучать. Для регулирования времени включения сигнала следовало перед запуском часов частично заполнить водой средний сосуд.
Чем больше в него предварительно заливалось воды, тем раньше срабатывал будильник.
Эпоха конструирования пневматических, гидравлических и механических устройств началась с работ Ктесибия (Александрия, II-I вв. до н.э.). Кроме различных автоматических приспособлений, служивших в основном для демонстрации «технических чудес», он разработал водяные часы, которые автоматически приспосабливались к изменению длины ночных и дневных отрезков времени. Часы Ктесибия имели циферблат в виде небольшой колонны. Около нее находились две фигурки амуров. Один из них непрерывно плакал; его «слезы» поступали в высокий сосуд с поплавком. Фигурка второго амура перемещалась с помощью поплавка вдоль колонны и служила указателем времени. Когда в конце суток вода поднимала указатель до крайней верхней точки, срабатывал сифон, поплавок опускался в исходное положение, и начинался новый суточный цикл работы прибора. Поскольку длина суток постоянна, ход часов не требовалось приспосабливать к различным сезонам. Часы обозначались поперечными линиями, нанесенными на колонне. Для летнего времени расстояния между ними в нижней части колонны были большими, а в верхней малыми, изображавшими короткие ночные часы, а зимой наоборот. В конце каждых суток вытекающая из сифона вода попадала на водяное колесо, которое через зубчатые передачи слегка поворачивало колонну, подводя к указателю новую часть циферблата.
Сохранились сведения о часах, которые халиф Харун аль Рашид подарил в 807 г. Карлу Великому. Эгингард, историограф короля, сообщал о них: «Особый водяной механизм указывал часы, означавшиеся еще боем от падения определенного числа шариков в медный таз. В полдень 12 рыцарей выезжали из стольких же дверей, закрывавшихся за ними».
Арабский ученый Ридван создал в XII в. часы для большой мечети в Дамаске и оставил их описание. Часы были выполнены в виде арки с 12-ю окошками-указателями времени. Окошки были закрыты цветными стеклами и ночью подсвечивались. Вдоль них перемещалась фигура сокола, который, поравнявшись с окошком, ронял в бассейн шары, число которых соответствовало наступившему часу. Механизмы, соединявшие поплавок часов с указателями, состояли из шнуров, рычагов и блоков.
В Китае водяные часы появились в глубокой древности. В книге «Чжоули», в которой описана история династии Чжоу (1027-247 гг. до н.э.), есть упоминание о специальном служителе, который «ухаживал за водяными часами». Об устройстве этих древних часов ничего неизвестно, но, учитывая традиционность китайской культуры, можно предположить, что они мало отличались от средневековых. Описанию устройства водяных часов посвящена книга ученого XI в. Лю Цзая. Наиболее интересна описанная там конструкция водяных часов с уравнительным бачком. Часы устроены в виде своеобразной лесенки, на которой расположены три бачка. Сосуды соединены трубками, через которые вода последовательно перетекает из одного в другой. Верхний бачок питает водой остальные, нижний имеет поплавок и линейку с указателем времени. Наиболее важная роль отведена третьему «уравнительному» сосуду. Поступление воды отрегулировано так, что бачок получает из верхнего немного больше воды, чем из него вытекает в нижний (излишек отводится через особое отверстие). Таким образом, уровень воды в среднем бачке не меняется, и она поступает в нижний сосуд под постоянным давлением. В Китае сутки делились на 12 двойных часов «ке».
Замечательные с точки зрения механики башенные астрономические часы создали в 1088 г. астрономы Су Сун и Хань Кунлян. В отличие от большинства водяных часов в них использовалось не изменение уровня вытекающей воды, а ее вес. Часы были помещены в трехэтажной башне, оформленной в виде пагоды. На верхнем этаже постройки стояла армиллярная сфера, круги которой за счет часового механизма сохраняли параллельность небесному экватору и эклиптике. Это устройство предвосхищало механизмы ведения телескопов. Кроме сферы, в особом помещении находился звездный глобус, который показывал положение звезд, а также Солнца и Луны относительно горизонта. Инструменты приводились в движение водяным колесом. Оно имело 36 ковшей и автоматические весы. Когда вес воды в ковше достигал нужной величины, защелка освобождала его и позволяла колесу повернуться на 10 градусов.
В Европе водяные общественные часы долго использовались наряду с механическими башенными. Так в XVI в. на главной площади Венеции действовали водяные часы, которые каждый час воспроизводили сцену поклонения волхвов. Появлявшиеся мавры били в колокол, отмечая время. Интересные часы XVII в. хранятся в музее французского города Клюни. В них роль указателя выполнял водяной фонтанчик, высота которого зависела от прошедшего времени.
После появления в XVII в. маятниковых часов во Франции была сделана попытка использовать воду для поддерживания качания маятника. По мысли изобретателя над маятником устанавливался лоток с перегородкой посередине. Вода подавалась на центр перегородки, и, когда маятник качался, подталкивала его в нужную сторону. Устройство не получило распространения, но заложенная в нем идея привода стрелок от маятника позже была реализована в электрических часах.
Песочные и огневые часы
Песок, в отличие от воды, не замерзает, и часы, где течение воды заменено течением песка могут работать зимой. Песочные часы со стрелочным указателем построил около 1360 г. китайский механик Чжаи Сиюань. Эти часы, известные под названием «пятиколесной песочной клепсидры», приводились в действие «турбинкой» на лопатки которой сыпался песок. Система зубчатых колес передавала ее вращение стрелке.
В Западной Европе песочные часы появились около XIII в., и их развитие связано с развитием стеклоделия. Ранние часы представляли собой две отдельные стеклянные луковицы, скрепленные сургучом. Специально приготовленный, иногда из толченного мрамора, «песок» тщательно просеивался и насыпался в сосуд. Перетекание дозы песка из верхней части часов в нижнюю, довольно точно отмеряло определенный отрезок времени. Регулировать часы можно было, изменяя количество засыпанного в них песка. После 1750 г. часы уже изготавливались в виде единого сосуда с сужением посередине, но в них сохранялось отверстие, затыкавшееся пробкой. Наконец, с 1800 г. появились герметические часы с запаянным отверстием. В них песок был надежно отделен от атмосферы и не мог отсыреть.
Еще в XVI в. в основном в церквях использовались рамки с четырьмя песочными часами настроенными на четверть, половину, три четверти часа и час. По их состоянию можно было легко определять время внутри часа. Прибор снабжался циферблатом со стрелкой; когда песок вытекал из последнего верхнего сосуда, служитель переворачивал рамку и переводил стрелку на одно деление.
Песочные часы не боятся качки и поэтому до начала XIX в. широко применялись на море для отсчета времени вахт. При вытекании часовой порции песка вахтенный переворачивал часы и ударял в колокол; отсюда пошло выражение «бить склянки». Корабельные песочные часы считались важным прибором. Когда первый исследователь Камчатки студент Петербургской академии наук Степан Петрович Крашенинников (1711-1755 гг.) прибыл в Охотск, там шло строительство кораблей. Молодой ученый обратился к капитану-командору Витусу Берингу с просьбой о помощи в организации службы измерения колебаний уровня моря. Для этого был нужен наблюдатель и песочные часы. Беринг назначил на должность наблюдателя грамотного солдата, но часов не дал. Крашенинников вышел из положения, вкопав водомерный столб напротив комендатуры, где по морскому обычаю регулярно отбивались склянки. Песочные часы оказались надежным и удобным прибором для измерения небольших отрезков времени и по «живучести» опередили солнечные. Их еще недавно применяли в кабинетах физиотерапии поликлиник для контроля времени проведения процедур. Но они вытесняются электронными таймерами.
Сгорание материала тоже является достаточно равномерным процессом, на основе которого можно измерять время. Огневые часы широко использовались в Китае. Очевидно, их прообразом служили, и сейчас популярные в Юго-восточной Азии, курительные палочки - медленно тлеющие стерженьки, дающие ароматный дым. Основой таких часов служили горючие палочки или шнуры, которые делали из смеси древесной муки со связующими веществами. Часто они имели значительную длину, изготовлялись в виде спиралей и подвешивались над плоской тарелкой, куда падал пепел. По числу оставшихся витков можно было судить о прошедшем времени. Существовали и «огневые будильники». Там тлеющий элемент горизонтально располагался в длинной вазочке. В нужном месте через него перекидывали нитку с грузиками. Огонь, достигнув нитки, пережигал ее, и грузики со звоном падали в подставленное медное блюдце. В Европе в ходу были свечи с делениями, игравшие роль и ночников и измерителей времени. Чтобы использовать их в режиме будильника, в свечу на нужном уровне втыкали булавку с грузиком. Когда воск вокруг булавки расплавлялся, грузик вместе с ней со звоном падал в чашку подсвечника. Для грубого измерения времени ночью служили и масляные лампы со стеклянными сосудами, снабженными шкалой. Время определялось по уровню масла, который уменьшался по мере выгорания.
Общие сведения
Современные весы представляют собой сложный механизм, который, кроме взвешивания, может обеспечить регистрацию результатов взвешивания, сигнализацию в случае отклонения массы от заданных технологических норм и другие операции.
1.1. Лабораторные равноплечие весы (рис. 4.1) состоят из коромысла 1, установленного с помощью опорной призмы 2 на попушке 3 основания весов. Коромысло имеет две грузоприемные призмы 5, 11 через которые с помощью подушек 4 и 12 подвески 6 и 10 соединяются с коромыслом 1. К коромыслу жестко крепится шкала 8 оптического отсчетного устройства. При измерении массы на одну чашку весов устанавливается взвешиваемый груз 9 массой m, а на вторую - уравновешивающие гири 7 массой m г. Если m > m г, то коромысло весов отклоняется на угол φ, (рис. 4.2).
Весы ВЛР-20 (рис. 4.3) имеют наибольший предел взвешивания 20 г, цену деления делительного устройства 0,005 мг.
На основании 6 весов установлена полая стойка 9; в верхней части стойки крепится кронштейн с рычагами изолира 11 и опорная подушка 15. На основании 6 установлены осветитель 5, конденсор 4 и объектив 3 оптического отсчетного устройства. На равноплечем коромысле 16 закреплена опорная призма 17, седла с грузоприемными призмами 13 и стрелка 1 с микрошкалой 2.
Регулирование положения равновесия подвижной системы на коромысле осуществляется тарировочными гайками 19 на концах коромысла. Регулируя положение центра тяжести коромысла путем вертикального перемещения регулировочных гаек 18, расположенных в середине коромысла, можно установить заданную цену деления весов. На грузоприемные призмы 13 опираются подушки 14 серег 12, на которых подвешены подвески с грузоприемными чашками 7.
Весы имеют два воздушных успокоителя 10. Верхняя часть успокоителя подвешивается на серьге, а нижняя крепится на плате 8 в верхней части весов.
Механизм гиреналожения 20, расположенный на плате 8, позволяет навешивать на правую подвеску гири массой 10; 20; 30 и 30 мг, обеспечивая уравновешивание встроенными гирями в диапазоне от 10 до 90 мг. Массу наложенных гирь отсчитывают на оцифрованном лимбе, связанном с механизмом гиреналожения.
Оптическое отсчетное устройство служит для проецирования изображения шкалы на экран с помощью осветителя, конденсора, объектива и системы зеркал и позволяет измерять изменение массы в диапазоне от 0 до 10 мг. Шкала имеет 100 отсчетных делений с ценой деления 0,1 мг. Делительный механизм оптического отсчетного устройства позволяет разделить одно деление шкалы на 20 частей и, увеличивая разрешающую способность отсчета, обеспечивает получение результата измерения с дискретностью 0,005 мг.
1.2. Лабораторные двухпризменные весы (рис. 4.5) состоят из несимметричного коромысла 1, установленного с помощью опорной призмы 2 на подушке 5 основания весов. С одним плечом коромысла через грузоприемную призму 6 и подушку 11 соединена подвеска 9 с грузоприемнои чашкой. На этой же подвеске закреплена рейка 10, на которой навешены встроенные гири 7, общей массой т 0 . На другом плече коромысла закреплен противовес 4, уравновешивающий коромысло. К коромыслу 1 жестко крепится микрошкала 3 оптического отсчетного устройства. При измерении массы на чашку весов устанавливается взвешиваемый груз 8 массой т 1 , а с рейки с помощью гиревого механизма снимается часть гирь 7 массой т т.
Если т 1 > т г, то коромысло весов, отклоняется на угол φ (рис. 4.6). При этом гравитационный момент устойчивости составит
где т п, т пр, т к - масса подвески, противовеса, коромысла; т о и т 1 - масса всех встроенных гирь и груза; т г - масса снятых гирь; а 1 - расстояние от оси вращения коромысла до точек контакта грузоприемной призмы с подушкой подвески; а 2 - расстояние от оси вращения коромысла до центра тяжести противовеса; а к - расстояние от оси вращения коромысла до его центра тяжести, α 1 , α 2 - углы, зависящие от установки линий призм коромысла; g = 9,81 м/с 2 .
Компенсирующий момент
Погрешность δ у , зависящая от гравитационного момента устойчивости и угла отклонения φ, определяется по формуле:
(4.3)
Погрешность δ к , зависящая от компенсирующего момента, составит
(4.4)
Весы ВЛДП-100 (рис. 4.4) с наибольшим пределом взвешивания 100 г, с именованной шкалой и встроенными гирями на полную нагрузку. В весах имеется устройство предварительного взвешивания, позволяющее повысить скорость измерения массы и упростить операции взвешивания, связанные с подбором гирь, уравновешивающих подвижную систему весов.
На коротком плече коромысла 1 закреплено седло с грузоприемной призмой 9, а на длинном - противовес, диск воздушного успокоителя и микрошкала 4 оптического устройства. Во время взвешивания на грузоприемную призму 9 коромысла подушкой 10 опирается серьга 11, к которой присоединена подвеска 7 с грузоприемной чашкой 6.
В весах имеется механизм гиреналожения 8, служащий для снятия с подвески и наложения на нее трех декад встроенных гирь массой 0,1-0,9; 1-9 и 10-90 г.
Механизм предварительного взвешивания имеет горизонтальный рычаг 3, который свободным концом упирается в коромысло. Второй конец рычага жестко крепится к торсионной пружине, ось вращения которой параллельна оси вращения коромысла.
 
Рис. 4.1. Равноплечие весы
| 
Рис. 4.2. Схема действия сил в равноплечих весах
|
|
Рис. 4.3. Лабораторные равноплечие весы ВЛР-20
|  
Рис. 4.4. Лабораторные весы ВЛДП-100
|
|
Рис. 4.5. Двухпризменные весы
| 
Рис. 4.6. Схема действия сил в двухпризменных весах
|
|
Изолирующий механизм 5 имеет три фиксированных положения: ИП - исходное положение, ПВ - предварительное взвешивание, ТВ - точное взвешивание.
В исходном положении коромысло 1 и подвеска 7 находятся на упорах изолирующего механизма 5. Рычаг механизма предварительного взвешивания находится в нижнем положении, встроенные гири навешены на подвеску.
При взвешивании груза, помещенного на чашку, изолирующий механизм ставят сначала в положение ПВ. При этом рычаг 3 упирается в коромысло, с подвески снимаются встроенные гири, подвеска опускается на грузоприемную призму коромысла. После этого коромысло опорной призмой 2 опускается на подушку, отклоняется на некоторый угол, при котором противодействующий момент, создаваемый торсионной пружиной механизма предварительного взвешивания, уравновешивает момент, пропорциональный разности т к = т 0 - т 1 , где т 0 - масса встроенных гирь; т 1 - масса взвешиваемого тела.
По шкале оптического отсчетного устройства и лимбу делительного устройства отсчитывают предварительное значение измеряемой массы, которое устанавливают на счетчиках механизма гиреналожения.
При переводе изолирующего механизма в положение ТВ сначала изолируют коромысло и подвеску, после чего на подвеску навешивают гири массой т г. Рычаг 3 отводят вниз до упора, освобождая коромысло, подвеску соединяют с коромыслом через грузоприемную призму и подушку, а коромысло опорной призмой садится на подушку и производят точное взвешивание.
Значение измеряемой массы отсчитывают по счетчику механизма гиреналожения, шкале и лимбу делительного устройства.
1.3. Квадрантные весы просты, надежны в эксплуатации, имеют высокую точность. В отличие от других лабораторных весов грузоприемная чашка у квадрантных весов расположена в верхней части, что создает значительные удобства в эксплуатации. Квадрантные весы применяют в технологических линиях, в системах централизованного контроля, в управляющих системах, связанных с измерением массы.
Квадрантные весы (рис. 4.7) состоят из несимметричного коромысла 1 (квадранта), установленного с помощью опорной призмы 2 на угловой подушке 3, закрепленной на основании весов. Подвеску 6 с помощью угловых подушек 8 устанавливают на грузоприемную призму 7, закрепленную на коромысле 1. Грузоприемную чашку 9 в квадрантных весах крепят к верхней части подвески 6. Чтобы исключить возможность опрокидывания подвески при наложении на чашку 9 груза, нижнюю часть подвески крепят к основанию весов через шарнирные соединения с помощью рычага 5, называемого стрункой. К квадранту жестко крепится микрошкала 4 оптического отсчетного устройства. На подвеске закреплена рейка, на которой расположены встроенные гири.
Использование в квадрантных весах угловых подушек и шарнирных соединений в нижней части подвески позволило в несколько раз увеличить рабочий угол отклонения φ квадранта по сравнению с углом отклонения в равноплечих или двухпризменных весах. Например, в квадрантных весах при воздействии на подвеску максимальной нагрузки угол отклонения равен 12°, а в равноплечих и двухпризменных весах он менее 3°. При большом угле отклонения естественно диапазон измерения массы по шкале также будет больше, что позволяет уменьшить количество встроенных гирь, используемых в весах. Однако шарниры со стрункой являются источником дополнительных погрешностей, снижающим точность взвешивания. Поэтому выпускаемые квадрантные весы имеют в основном класс точности 4.
Лабораторные квадрантные весы модели ВЛКТ-5 (рис. 4.8), относятся к классу точности 4 и предназначены для измерений массы до 5 кг. В измерительную систему весов входят коромысло 3, подвеска 2 с грузоприемной чашкой 1 и „струнка" б. Призменная „струнка" является одной из сторон шарнирного параллелограмма. „Струнка" и стальные призмы коромысла опираются на угловые самоустанавливающиеся подушки. Для успокоения колебаний подвижной системы весы имеют магнитный успокоитель 5. В весах также имеется механизм компенсации колебаний уровня рабочего места, устройство компенсации массы тары и механизм гиреналожения. При взвешивании специальные захваты с приводом от рукоятки механизма гиреналожения снимают с грузоприемной подвески или накладывают на нее встроенные гири 7 массой 1; 1 и 2 кг. Значения массы снятых гирь отсчитывают с оцифрованного барабана, связанного с механизмом гиреналожения. В состав оптического отсчетного устройства входят лампа подсветки, конденсор, объектив и микрошкала 4, укрепленная на коромысле. Изображение микрошкалы, увеличенное с помощью оптической системы, передается на матовое стекло экрана 8, где указьшается значение массы, определяемой при отклонении коромысла от его начального положения.
Цилиндрическая спиральная пружина 9, прикрепленная один концом к подвеске, является измерительным элементом делительного механизма. Второй конец этой пружины, связанный приводом с оцифрованным барабаном механического счетчика, может перемещаться вертикально при вращении рукоятки счетчика делительного механизма. При вращении барабана механического счетчика на полную емкость, равную 100 делениям, пружина растягивается, передавая коромыслу усилие, эквивалентное усилию, создаваемому изменением массы груза на 10 г, а результат измерения, производимого с помощью делительного механизма, отсчитывают на оцифрованном барабане механического счетчика с дискретностью 0,1 г. Микрошкала, закрепленная на коромысле, имеет 100 делений с ценой деления 10 г. Поэтому диапазон измерения оптического отсчетного устройства и делительного механизма с дискретностью 0,1 г составляет 1000 г.
Аналогично устроены квадрантные весы модели ВЛКТ-500 (рис. 4.9), предназначенные для измерений массы до 500 г (погрешность измерения ±0,02 г).
Перед измерением массы тела по уровню 1 производят установку весов в горизонтальное положение с помощью регулируемых опор 4. Для ввода весов в действие необходимо шнур питания 5 подсоединить в электросеть и включить выключатель 2. Рукояткой 7 цифровой барабан механического счетчика устанавливают в положение «00»и маховичками 3 («грубо») и 6 («тонко») устройства компенсации массы тары доводят нулевое деление шкалы в симметричную позицию. При этом рукоятка 9 механизма гиреналожения находится в положении для измерения в диапазоне 1-100 г. Исследуемое тело устанавливают на грузоприемную чашку 10 и рукояткой 7 совмещают деление шкалы с отсчётными рисками на экране 8.
Торсионные весы WT-250 (рис. 4.10) предназначены для взвешивания тел массой до 250 г и имеют погрешность измерения ±0,005 г. Корпус весов опирается на три опоры, две из которых 1 регулируемые и предназначены для установки весов в горизонтальное положение по уровню 2.
Кожух весов имеет стеклянный экран 4, сквозь который виден лимб измерительного механизма. Перед взвешиванием поворачивают фиксатор 9 для разблокирования подвески и с помощью маховика 10 устройства компенсации массы тары устанавливают указатель 5 в нулевое положение. Измеряемое тело 7 помещают на подвеску 6 и закрывают предохранительную крышку 8. Вращая маховик 3 подвижного лимба добиваются возврата указателя 5 в нулевое положение. При этом по стрелке на лимбе измерительного механизма определяют величину массы тела.
1.4. Электронные цифровые весы. Существенное преимущество весов состоит в том, что при операциях не требуются встроенные или накладные гири. Поэтому при серийном выпуске весов и при их эксплуатации существенно экономится металл, сокращается количество гирь, подлежащих государственной поверке.
Электронные цифровые весы 4-го класса точности модели ВБЭ-1 кг (рис. 4.11, а), основанные на рассмотренном выше принципе действия. Эти весы имеют весовое устройство I, укреплен-ное на основании 2, и электрическую часть, состоящую из пяти печатных плат 3, 13,14 с разъемами и установочными кронштейнами, трансформатор 15, датчик 4, преобразующий линейные перемещения в электрический сигнал.
Весовое устройство имеет стойку, на которой крепится кронштейн 12 и магнитная система 16 с рабочей катушкой 5. Подвижная система весов состоит из двух рамок 6, кронштейна 7 и шести пружин 8, две из которых являются промежуточными звеньями упруго-гибкой связи между рамками и кронштейном. Рабочая катушка крепится к вкладышу 9, который жестко связан с крон-штейном 7. Подвижная система весов крепится через пружины 8 так, что катушка в рабочем зазоре магнитной системы может перемещаться только в вертикальном направлении. В верхней части кронштейна 7 размещается подставка 10, на которой устанавливается грузоприемная чашка 11.
Электрическая часть весов выполнена на печатных платах, расположенных в корпусе весов. Электрические элементы, выделяющие тепло, размещены в задней части весов и отделены от весового устройства тепловым экраном.
В весах имеется электронное устройство, компенсирующее силовое воздействие, создаваемое тарой. При наложении на грузоприемную чашку тары значение ее массы появляется на цифровом отсчетном устройстве, а после нажатия кнопки „Тара” это значение передается на запоминающее устройство, а на цифровом отсчетном устройстве устанавливаются нули и весы готовы к измерению массы груза. Устройство компенсации тары, входящее в весы, компенсирует нагрузку массой до 1000 г.
Электронные цифровые весы 4-го класса ВЛЭ-1 кг с улучшенными техническими характеристиками (рис. 4.11, б). Эти весы могут быть широко использованы в замкнутых технологических процессах агропромышленных комплексов. В них имеется выход для подключения цифропечатающих устройств и ЭВМ, полуавтоматическая калибровка и компенсация массы тары по всему диапазону взвешивания. Терминал обеспечивает автоматическую разбраковку предметов по массе и подсчет количества предметов по заданному значению массы одного предмета.
3. Порядок выполнения работы: ознакомиться с п. 1; используя формулы (4.1)-(4.4) по начальным условиям (табл. 4.1) для двухпризменных весов определить: момент устойчивости М у, компенсирующий момент М к, а также погрешности δ у и δ к, составить отчёт.
 
Рис. 4.7. Лабораторные квадрантные весы
| 
Рис. 4.8. Схема квадрантных весов ВЛКТ-5
|
 
Рис. 4.9. Общий вид весов ВЛКТ-500
|
|
а 
б
Таблица 4.1. Исходные данные для выполнения работы
| № варианта | т п , г | т пр , г | т к , г | т о , г | а к, м | а 1 , м | а 2 , м | α 1 = α 2 ,º | φ,º |
| 0,15 | 0,08 | 0,16 | 1,0 | ||||||
| 0,26 | 0,11 | 0,22 | 0,9 | 2,9 | |||||
| 0,32 | 0,17 | 0,32 | 0,8 | 2,8 | |||||
| 0,18 | 0,15 | 0,30 | 0,7 | 2,7 | |||||
| 0,20 | 0,12 | 0,22 | 0,6 | 2,6 | |||||
| 0,16 | 0,09 | 0,17 | 0,5 | 2,5 | |||||
| 0,27 | 0,12 | 0,24 | 1,5 | 2,9 | |||||
| 0,33 | 0,18 | 0,34 | 1,4 | 2,8 | |||||
| 0,19 | 0,16 | 0,31 | 1,3 | 2,7 | |||||
| 0,23 | 0,14 | 0,24 | 1,2 | 2,6 | |||||
| 0,17 | 0,07 | 0,15 | 1,1 | 2,5 | |||||
| 0,28 | 0,13 | 0,27 | 1,0 | 2,4 | |||||
| 0,34 | 0,19 | 0,36 | 2,0 | 3,2 | |||||
| 0,20 | 0,17 | 0,34 | 1,8 | 3,1 | |||||
| 0,21 | 0,15 | 0,25 | 1,7 | 3,0 | |||||
| 0,29 | 0,14 | 0,28 | 1,6 | 2,9 | |||||
| 0,35 | 0,20 | 0,37 | 1,5 | 2,8 | |||||
| 0,21 | 0,18 | 0,36 | 1,4 | 2,7 | |||||
| 0,24 | 0,13 | 0,26 | 1,3 | 2,6 | |||||
| 0,19 | 0,07 | 0,16 | 1,2 | 2,5 | |||||
| 0,30 | 0,15 | 0,29 | 1,1 | 2,4 | |||||
| 0,36 | 0,21 | 0,39 | 1,0 | 2,3 | |||||
| 0,22 | 0,19 | 0,38 | 0,9 | 2,2 | |||||
| 0,21 | 0,11 | 0,23 | 0,8 | 2,1 | |||||
| 0,14 | 0,09 | 0,18 | 0,7 | 2,0 | |||||
| 0,31 | 0,16 | 0,30 | 0,6 | 3,0 | |||||
| 0,37 | 0,22 | 0,41 | 0,5 | 2,9 | |||||
| 0,23 | 0,20 | 0,43 | 1,5 | 2,8 | |||||
| 0,25 | 0,10 | 0,20 | 1,4 | 2,7 | |||||
| 0,18 | 0,06 | 0,14 | 1,3 | 2,6 |
- описать назначение, конструкцию приборов и нарисовать их схемы (рис. 4.1
Выполнить расчёты по определению М у, М к, δ у и δ к;
Дать ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1. Как регулируется положение равновесия подвижной системы на коромысле в весах ВЛР-20?
2. На каком плече коромысла закреплено седло с грузоприемной призмой в весах ВЛДП-100?
3. В чём конструктивное отличие квадрантных весов от двухпризменных?
4. Как устроены квадрантные весы модели ВЛКТ-5?
5. Как производится взвешивание на весах ВЛКТ-500?
6. Как устроены электронные весы модели ВБЭ-1?
Лабораторно-практическая работа №5
Весы (прибор)
Весы,
прибор для определения массы тел по действующей на них силе тяжести. В. иногда называют также приборы для измерений др. физических величин, преобразуемых с этой целью в силу или в момент силы. К таким приборам относятся, например, токовые весы
и Кулона весы
.
Последовательность действий при определении массы тел на В. рассмотрена в ст. Взвешивание
.
В. ‒ один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Простейшие В. в виде равно-плечного коромысла с подвешенными чашками (рис. 1
) широко применялись при меновой торговле в Древнем Вавилоне (2,5 тыс. лет до н. э.) и Египте (2 тыс. лет до н. э.). Несколько позднее появились неравно-плечные В. с передвижной гирей (см. Безмен
).
Уже в 4 в. до н. э. Аристотель
дал теорию таких В. (правило моментов сил
).
В 12 в. арабским учёным аль-Хазини были описаны В. с чашками, погрешность которых не превышала 0,1%. Они применялись для определения плотности различных веществ, что позволяло распознавать сплавы, выявлять фальшивые монеты, отличать драгоценные камни от поддельных и т.д. В 1586 Г. Галилей
для определения плотности тел сконструировал специальные гидростатические В.
Общая теория В. была развита Л. Эйлером
(1747).
Развитие промышленности и транспорта привело к созданию В., рассчитанных на большие нагрузки. В начале 19 в. были созданы десятичные В. (рис. 2
) (с отношением массы гирь к нагрузке 1:10 ‒ Квинтенц, 1818) и сотенные В. (В. Фербенкс, 1831). В конце 19 ‒ начале 20 вв. с развитием поточного производства появились В. для непрерывного взвешивания (конвейерные, дозировочные и др.). В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, на транспорте стали применять В. самых разнообразных конструкций для взвешивания конкретных видов продукции (в сельском хозяйстве, например, зерна, корнеплодов, яиц и т.д.; на транспорте ‒ автомобилей, ж.-д. вагонов, самолётов; в промышленности ‒ от мельчайших деталей и узлов в точном приборостроении до многотонных слитков в металлургии). Для научных исследований были разработаны конструкции точных В. ‒ аналитических, микроаналитических, пробирных и др.
В зависимости от назначения В. делятся на образцовые (для поверки гирь), лабораторные (в том числе аналитические) и общего назначения, применяемые в различных областях науки, техники и народного хозяйства.
По принципу действия В. подразделяются на рычажные, пружинные, электротензометрические, гидростатические, гидравлические.
Наиболее распространены рычажные В., их действие основано на законе равновесия рычага
.
Точка опоры рычага («коромысла» В.) может находиться посередине (равноплечные В.) или быть смещенной относительно середины (неравноплечные и одноплечные В.). Многие рычажные В. (например, торговые, автомобильные, порционные и др.) представляют собой комбинацию рычагов 1-го и 2-го родов. Опорами рычагов служат обычно призмы и подушки из специальных сталей или твёрдого камня (агат, корунд). На равноплечных рычажных В. взвешиваемое тело уравновешивается гирями, а некоторое превышение (обычно на 0,05‒0,1%) массы гирь над массой тела (или наоборот) компенсируется моментом, создаваемым коромыслом (со стрелкой) из-за смещения его центра тяжести относительно первоначального положения (рис. 3
). Нагрузка, компенсируемая смещением центра тяжести коромысла, измеряется с помощью отсчётной шкалы. Цена деления s
шкалы рычажных В. определяется формулой
s = k
(Po
c / lg
),
где P0
‒ вес коромысла со стрелкой, с
‒ расстояние между центром тяжести коромысла и осью его вращения, l ‒
длина плеча коромысла, g ‒
ускорение
свободного падения, k ‒
коэффициент, зависящий только от разрешающей способности отсчётного устройства. Цену деления, а, следовательно, и чувствительность В., можно в определенных пределах изменять (обычно за счёт перемещения специального грузика, изменяющего расстояние с
).
В ряде рычажных лабораторных В. часть измеряемой нагрузки компенсируется силой электромагнитного взаимодействия ‒ втягиванием железного сердечника, соединённого с плечом коромысла, в неподвижный соленоид. Сила тока в соленоиде регулируется электронным устройством, приводящим В. к равновесию. Измеряя силу тока, определяют пропорциональную ей нагрузку В. Подобного типа В. приводятся к положению равновесия автоматически, поэтому их применяют обычно для измерений изменяющихся масс (например, при исследованиях процессов окисления, конденсации и др.), когда неудобно или невозможно пользоваться обычными В. Центр тяжести коромысла совмещен в этих В. с осью вращения.
В лабораторной практике всё шире применяются В. (в особенности аналитические) со встроенными гирями на часть нагрузки или на полную нагрузку (рис. 4
). Принцип действия таких В. был предложен Д. И. Менделеевым
.
Гири специальной формы подвешиваются к плечу, на котором находится чашка для нагрузки (одноплечные В.), или (реже) на противоположное плечо. В одноплечных В. (рис. 5
) полностью исключается погрешность из-за неравноплечности коромысла.
Современные лабораторные В. (аналитические и др.) снабжаются рядом устройств для повышения точности и скорости взвешивания: успокоителями колебаний чашек (воздушными или магнитными), дверцами, при открытии которых почти не возникает потоков воздуха, тепловыми экранами, механизмами наложения и снятия встроенных гирь, автоматически действующими механизмами для подбора встроенных гирь при уравновешивании В. Всё чаще применяются проекционные шкалы, позволяющие расширить диапазон измерений по шкале отсчёта при малых углах отклонения коромысла. Всё это позволяет значительно повысить быстродействие В.
В быстродействующих технических квадрантных В. (рис. 6
) предел измерений по шкале отклонения коромысла составляет 50‒100% от предельной нагрузки В., обычно лежащей в пределах 20 г
‒ 10 кг
. Это достигается особой конструкцией тяжёлого коромысла (квадранта), центр тяжести которого расположен значительно ниже оси вращения.
По принципу рычажных В. устроено большинство типов метрологических, образцовых, аналитических, технических, торговых (рис. 7
), медицинских, вагонных, автомобильных В., а также В. автоматических и порционных.
В основу действия пружинных и электротензометрических В. положен закон Гука (см. Гука закон
).
Чувствительным элементом в пружинных В. является спиральная плоская или цилиндрическая пружина, деформирующаяся под действием веса тела. Показания В. отсчитывают по шкале, вдоль которой перемещается соединённый с пружиной указатель. Принимается, что после снятия нагрузки указатель возвращается в нулевое положение, то есть в пружине под действием нагрузки не возникает остаточных деформаций.
При помощи пружинных В. измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных В. градуируется в единицах массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных В. зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем; всё это снижает точность пружинных В.
В крутильных (торзионных) В., чувствительным элементом служит упругая нить или спиральные пружины (рис. 8
). Нагрузка определяется по углу закручивания нити пружины, который пропорционален создаваемому нагрузкой крутильному моменту.
Действие электротензометрических В. основано на преобразовании деформации упругих элементов (столбиков, пластин, колец), воспринимающих силовое воздействие нагрузки, в изменение электрического сопротивления. Преобразователями служат высокочувствительные проволочные тензометры
,
приклеенные к упругим элементам. Как правило, электротензометрические В. (вагонные, автомобильные, крановые и т.д.) применяются для взвешивания больших масс.
Гидростатические В. применяют, главным образом, для определения плотности твёрдых тел и жидкостей. Действие их основано на законе Архимеда (см. Гидростатическое взвешивание
).
Гидравлические В. по устройству аналогичны гидравлическому прессу
.
Отсчёт показаний производится по манометру, градуированному в единицах массы.
Все типы В. характеризуются: 1) предельной нагрузкой ‒ наибольшей статической нагрузкой, которую могут выдерживать В. без нарушения их метрологических характеристик; 2) ценой деления ‒ массой, соответствующей изменению показания на одно деление шкалы; 3) пределом допускаемой погрешности взвешивания ‒ наибольшей допускаемой разностью между результатом одного взвешивания и действительной массой взвешиваемого тела;
4) допускаемой вариацией показаний ‒ наибольшей допускаемой разностью показаний В. при неоднократном взвешивании одного и того же тела.
Погрешности взвешивания на В. некоторых типов при предельной нагрузке.
Погрешность взвешивания при предельной нагрузке
Метрологические...........
Образцовые 1-го и 2-го разрядов
Образцовые 3-го разряда и
технические 1-го класса............
Аналитические, полумикроаналитические, микроаналитические, пробирные
Медицинские..............
Бытовые.................
Автомобильные.............
Вагонные................
Крутильные..............
1 кг
20 кг ‒
1 кг
200 г
‒ 2 г
20 кг
‒ 1 кг
200 г
‒2 г
200 г
100 г
20 г
2 г
1 г
150 кг
20 кг
30 кг ‒
2 кг
50 т ‒
10 т
150 т ‒
50 т
1000 мг ‒
20 мг
5 мг ‒
0,5 мг
0,005 мг*
20 мг ‒
0,5 мг*
1,0 мг ‒
0,01 мг*
100 мг ‒
20 мг
10 мг ‒ 0,
4 мг
1,0 мг ‒
0,1 мг*
1,0 мг ‒
0,1 мг*
0,1 мг ‒
0,01 мг*
0,02 мг ‒
0.004 мг*
0,01 мг ‒
0,004 мг*
50 г
10 г
60 г
‒5 г
50 кг ‒
10 кг
150 кг
‒ 50 кг
1,0 мг ‒
0, 05 мг
0,01 мг‒
0,001 мг
* С применением методов точного взвешивания.
Лит.:
Рудо Н. М., Весы. Теория , устройство, регулировка и поверка, М. ‒ Л., 1957; Маликов Л. М., Смирнова Н. А., Аналитические электрические весы, в кн.: Энциклопедия измерений контроля и автоматизации, в. 1, М. ‒ Л., 1962: Орлов С. П., Авдеев Б. А., Весовое оборудование предприятий, М., 1962; Карпин Е. Б., Расчет и конструирование весоизмерительных механизмов и дозаторов, М., 1963; Гаузнер С. И., Михайловский С. С., Орлов В. В., Регистрирующие устройства в автоматических процессах взвешивания, М., 1966.
