Какие свойства пружины используются в динамометре

Динамометры – контрольно-измерительные приборы, которые предназначаются для измерения силы растяжения или сжатия (в ньютонах) или момента силы (в килограмм-силах). Динамометры сильно отличаются по функциональной принадлежности, типу конструкции силового звена и предназначению, чем и обуславливается диапазон измерений усилия от нескольких сотых долей ньютонов до нескольких десятков тысяч килоньютонов. Для примера, можно привести динамометр сжатия ДАЦ-С, растяжения ДАЦ-Р, и универсальный динамометр ДАЦ-У.

Как же появились динамометры

Стоит отметить, что первым прибором, использовавшимся для измерения силы, были весы. Первое изображение таких весов появилось в 1726 году. В 1830 году Ричард Солтер (Сальтер) придумал и произвел весовое устройство, в котором для измерения силы использовалась пружина, растягивающаяся, под действием груза, на определенное расстояние, соответствующее массе груза. Немногим ранее, по расчетам Ренье, был изобретен динамометр с циферблатом, использующий кольцеобразно замкнутую пружину. Позже появились нажим Гаспара де Прони, а также динамометры конструкций Броуна, Томсона, Межи и Гефнер-Альтенека. Эти устройства и легли в основу современных динамометров.

Динамометр, в классическом виде, состоит из силового устройства и отсчетного устройства. Измеряемое усилие, в процессе измерения, создает в силовом звене деформацию, которая путем механической передачи или электрического сигнала сообщается аналоговому или цифровому отсчетному устройству.

В зависимости от типа силового устройства, а также принципу действия выделяют динамометры Механические, которые делятся на рычажные и пружинные, гидравлические и электронные. Причем, в одном динамометре могут быть использованы два типа (принципа) силовых устройств. Итак:

– Механический динамометр – как было сказано выше, механические динамометры делятся на пружинные и рычажные. Пружинный динамометр работает путем передачи силы на пружину, которая, в зависимости от направления действия и предназначения прибора, либо сжимается, либо растягивается. При этом, величина упругой деформации пружины строго пропорциональна силе воздействия. Рычажный динамометр работает посредством деформации рычага под действием силы, причем величина деформации регистрируется. Приборы такого типа не слишком точны, а их показания сильно зависят от температуры окружающей среды. Простейшим динамометром пружинного типа на растяжение является конструкция типа «безмен», а рычажного – известный автомобилистам динамометрический ключ. Естественно, настоящие механические динамометры намного сложнее, и чаще всего имеют более точную круговую шкалу.

Динамометрический ключ

Безмен

– Гидравлический динамометр – работает на принципе вымещения жидкости из цилиндра давлением измеряемой силы. Под давлением, вытесняемая жидкость поступает к записывающему аппарату по трубке, где её количество регистрируется. Гидравлические динамометры, хоть и более точные приборы, чем механические, однако, более сложны в изготовлении, поскольку, малейшая разгерметизация, или неправильное дозирование жидкости в приборе при его производстве сказывается на точности.

Гидравлический динамометр

– Электрический динамометр – включает в себя датчик, преобразующий деформацию от воздействия силы в электрический сигнал, а также дополнительный датчик, благодаря которому сигнал от первого датчика усиливается и записывается в оперативной памяти прибора. Датчики, используемые для преобразования силы и момента силы, могут быть пьезоэлектрические, индуктивные, вибрационно-частотные датчики сопротивления и, конечно же, тензорезистивные. Датчик, под действием применяемой силы, деформируется, а сопротивление в месте деформации возрастает, вследствие чего изменяются токи. При этом, сила передаваемого электрического сигнала зависима, и прямо пропорциональна деформации измерительного элемента, и как следствие, силе воздействия. Электрический динамометр – пожалуй, самое современное решение в области динамометрии. Такие динамометры обладают высокой точностью, легкостью, малыми габаритами.

Электронный динамометр растяжения

В повседневной жизни, обычный человек постоянно сталкивается с динамометрами. Элементы динамометров могут быть использованы для измерения силы сжатия створок различных автоматических систем, работающих на закрытие. Например, двери лифта, автобуса, вагона поезда метро, створки гаражных ворот, электростеклоподъемники автомобильных окон, и др. В случае неправильной настройки, все эти системы могут причинить вред здоровью или материальный ущерб, поэтому существуют технические нормы, в которых определены максимальные значения сил сжатия в автоматических системах закрывания. Данные нормы обязательны к применению во всех цивилизованных странах мира.

Помимо перечисленных выше, выделенных по признаку типа измерительного устройства видов динамометров, отдельно выделяют группировку по назначению приборов, в которой особняком стоят образцовые динамометры и медицинские динамометры.

– Образцовые динамометры – эталонные приборы, предназначение которых состоит в измерении статических сил сжатия и растяжения при ремонте и проверке рабочих стендов и испытательных машин. Конструктивно, они состоят из тензо-датчика силы, соединенного с цифровым измерителем. Образцовые динамометры механические представлены моделями ДОСМ и ДОРМ на сжатие и растяжение, соответственно. Электронных моделей, конечно же больше. В качестве примера, приведем ДОСЭ и ДОРЭ, также на сжатие и растяжение.

Как правило, образцовые динамометры малозависимы от температуры окружающей среды, имеют автоматическую компенсацию искажения от нагрузок с боков, а также, обладают средствами самодиагностики. Они долговечны, точны, имеют малые габариты и вес. Для удобства работы, современные образцовые динамометры имеют цифровые индикаторы, удобный пользовательский интерфейс, и возможность подсоединения к ПК.

– Медицинские динамометры – это специализированные динамометрические приборы. Благодаря им, можно определять силу, выносливость, уровень работоспособности, такие приборы позволяют судить об общем состоянии мышц, а также, помогают следить за восстановлением больного после травмы.

Медицинские динамометры подразделяются на кистевые (ручные) и становые динамометры.

Кистевой динамометр – точный диагностический прибор, который предназначается для определения сжимающей силы рук человека. Ручной динамометр используется для измерения текущей и входной оценки состояния рук после травм или при нарушении их функционирования. Кистевой динамометр распространен не только среди медицинских работников, занимающихся физиотерапией. Тесты с использованием динамометра проходят в правоохранительных органах, вооруженных силах и МЧС. Кистевые динамометры используют при приеме на работу в транспортных, экспедиторских компаниях, в фитнес-клубах, секциях боевых единоборств, в профессиональном спорте. Кистевые динамомеры бывают как электронные, так и механические. К механическим относится динамометр ДК, к электронным – ДМЭР. Бывают, также, детские динамометры, например ДМЭР-30-0,5.

Кистевой гидравлический динамометр

Становой динамометр – специализированный прибор, который предназначается для измерения силы мышечных групп, выпрямляющих туловище. Измерения, проводимые с использованием данного устройства, охватывают полный комплекс мышц-разгибателей туловища. Такой нехитрый тест, позволяет определить силу, статическую выносливость, а также, общее состояние и работоспособность человека. В качестве примера, можно привести становые динамометры серии ДС: ДС-200 и ДС-500.

Сегодня мы подробно расскажем вам о том, что измеряет динамометр, и какие разновидности данного прибора существуют. Но прежде чем ответить на эти и другие вопросы, необходимо разобраться, что же подразумевает под собой термин «динамометрия». Как известно, это слово образовалось от двух греческих: metron, то есть, мера, и dynamis — сила.

Следует отметить, что эта единица измерения особенно часто применяется в антропометрии, антропологии, в невропатологии, во время профессионального отбора, изучения воинских контингентов, утомления и проч.

Общая информация

Итак, как уже было сказано ранее, с помощью динамометра измеряется определенная сила. В общем же принцип работы этого прибора основан на одном из известных законов физики, согласно которому возникающая при сжатии пружины деформация находится в прямой зависимости от приложенной к ней внешней нагрузке. Этот закон назван в честь английского ученого Гука, жившего в XVII столетии.

Обозначим простейший динамометр. Что такое этот прибор по своей сути? Это совокупность силового и считывающего устройств, которые надежно работают в паре и предоставляют информацию своему пользователю.

Тонкости вычислений

Поскольку абсолютные показатели получать довольно-таки проблематично, то внимание стоит обращать на величину относительной силы. Ее рассчитывают методом умножения полученного результата на 100, с последующим делением произведения на вес тестируемого человека.

Для здоровых людей, не увлекающихся спортом, нормальными считаются следующие индексы:

• для женщин: кистевой индекс 45-50, становой 200;
• для мужчин: кистевой 60-70, становой 230.

Отклонения в меньшую сторону свидетельствуют о физической слабости, вызванной болезнью или пассивным образом жизни. Отклонения в большую сторону свидетельствуют об отменном состоянии мышц опорно-двигательного аппарата и характерны для тех, кто не пренебрегает физическими нагрузками.

При проведении измерения динамометром следует помнить о некоторых нюансах, влияющих на конечный результат. За исключением возраста и состояния здоровья на итоговые значения, полученные в процессе замера силы, влияют так же общее психологическое состояние и время суток.

Так, замечено, что наилучшие результаты достигаются при проведении измерения силы в середине дня (утром и вечером значения ниже), а при психологической подавленности (стресс, усталость) показатели снижаются.

Поэтому, если измерения силы с помощью динамометра проводятся с целью проверки прогресса, то лучше всего их проводить в одно и то же время суток.

Определение и принцип работы

Собственно говоря, динамометр — это контрольно-измерительный аппарат, широко применяемый в медицине с целью проведения замеров у людей силы сжатия или растяжения. Деформация силового звена происходит за счет приложения усилия со стороны пользователя. При помощи электрического или механического сигнала она передается на вычислительное устройство, которое может быть как цифровым, так и аналоговым. В качестве основной единицы измерения у динамометра является Ньютон — международно принятый показатель силы. Отличительной особенностью прибора является то, что человек самостоятельно, без привлечения помощи со стороны, может определить свою силу. Чаще всего показания динамометра требуется в медицинских целях, чтобы определить крепость мышц пациентов.

Факторы, которые, так или иначе, влияют на силовые показатели

В процессе оценки силы мускулатуры для самоконтроля, не стоит забывать, что она напрямую зависит от таких индивидуальных факторов, как:

1. Возраст человека.
2. Половая принадлежность.
3. Вес тела спортсмена.
4. Виды тренирующих воздействий.
5. Степень утомления и др.

Кроме того, показатели мышечной силы могут значительно изменяться в течение всех суток. К примеру, наименьшая величина наблюдается в утреннее и вечернее время, а наибольшая — в самом разгаре дня, то есть в середине.

Также стоит отметить, что существенное понижение у спортсмена или обычного человека часто отмечается во время:

• общего недомогания;
• каких-либо заболеваний;
• нарушений режима дня и питания;
• эмоциональных расстройств или при негативном настроении и проч.

Помимо всего прочего, значения на динамометре могут быть понижены у людей пожилого возраста, а также у тех, кому за 40-50 лет. Аналогичная ситуация часто наблюдается у мужчин или женщин, довольно редко занимающихся физической культурой, в том числе обычной гимнастикой, ходьбой и проч.

Разновидности контрольно-измерительных устройств

Как мы уже говорили, с помощью динамометра можно проводить замеры людской силы. При этом эта техника бывает следующих видов:

• Механические аппараты. Каждый из них может быть как рычажным, так и пружинным. Некоторые приборы состоят из двух измерительных устройств. Пружина динамометра является именно тем элементом, через который и передается усилие путем сжатия или растягивания. Важно заметить, что показатель упругой деформации при этом абсолютно пропорционален силе воздействия. Что касается рычажного динамометра, то он работает благодаря деформации данного элемента за счет силы человека, которая, кстати, обязательно регистрируется. Самым простейшим аппаратом пружинного класса, работающим на растяжение, является конструкция, широко известная в народе, как «безмен». Это часто используемый инструмент среди механиков и автомобилистов, под названием динамометрический ключ.
• Гидравлический. Данный аппарат работает по принципу вымещения жидкости из специального цилиндра давлением измеряемой силы. Когда она испытывает вытеснение, то протекает к записывающему звену по особой трубке, где ее объем регистрируется. Гидродинамометры, хотя и гораздо более точные в своей работе, нежели механические аналоги, но вместе с тем более сложные в изготовлении. Это проявляется в том, что даже малейшая разгерметизация или же неправильная дозировка жидкости непременно приведет к нарушению точности прибора в целом.

Описание прибора

Второе название этого агрегата – силомер. Он представляет собой контрольно-измерительный прибор, который предназначен для измерения силы в Ньютонах (Н). Конструкция стандартного оборудования проста и состоит из двух основных элементов: силового звена и отсчетного элемента. Принцип работы такого механизма основывается на том, что усилие, осуществляемое силовым устройством, производит определенную деформацию, которая дальше передается на отсчетный датчик и выводится в качестве результата измерения.
Данное приспособление знакомо даже человеку далекому от производственного процесса. Его можно было видеть в школе на уроках физики, в больнице при измерении силы и уровня работоспособности человека. Довольно часто их применяют в быту для определения усилия дверей, которые работают автоматически.

Разновидностей силомеров существует много. В первую очередь они отличаются функциональной принадлежностью, конструкцией, принципом действия и диапазоном измерения силы.

Первыми приборами для измерения силы стали весы, первое изображение которых было напечатано в 1726 году. Около 1830 года Сальтер предложил более удобное устройство: для измерения силы в нём использовалась пружина, которая растягивалась грузом. Ещё раньше Ренье изобрёл динамометр с циферблатом, в которoм использовалась кольцеобразно замкнутая пружина. Более поздними изобретениями являются нажим Прони и динамометры Томсона, Геффнер-Альтенека, Броуна и Межи[1].

Самый точный экземпляр

Динамометр с грузом может быть и электрическим. Этот аппарат имеет в своей конструкции датчик, трансформирующий деформацию от воздействия силы в электрический сигнал. Также в наличии имеется вспомогательный вспомогательное фиксирующее звено. За счет него сигнал от первого датчика значительно усиливается и регистрируется в оперативной памяти устройства. Все они могут быть индуктивными, пьезоэлектрическими, вибрационно-частотными, тензорезистивными.

Суть измерений этими динамометрами заключается в том, что датчик под воздействием внешней силы деформируется, сопротивление в этом месте растет, а это, в свою очередь, приводит к изменению силы тока, которая уже напрямую зависит от мощности воздействия. Укажем, что именно электрические динамометры является на сегодняшний день самыми современными и высокоточными, обладающими малыми собственными габаритами и весом.

Определение становой силы

Вычислив мощь кистей рук, можно проверить и результаты в таком базовом упражнении, как становая тяга. Именно в этом движении будут видны все силовые качества человека. Это связано с тем, что при таком упражнении у спортсмена задействуются все основные мышцы тела.

Чтобы осуществить такой замер, необходимо использовать специальный прибор, который внешне очень схож с обычным ножным эспандером. Он состоит из рукоятки для рук и подножки для ног. Однако вместо пружин данное приспособление имеет трос со своеобразным посередине.

Задача испытуемого заключается в том, чтобы потянуть рукоятки на себя с максимально возможной силой. Для того чтобы определить необходимые значения, следует аналогичным образом, как и в случае с ручным медицинским прибором, рассчитать относительную величину становой тяги. Ее результаты можно интерпретировать следующим образом:

• меньше 170% — низкая;
• от 170% до 200% — ниже средней;
• от 200% до 230% — средняя;
• от 230% до 250% — выше средней;
• больше 260% — высокая.

Если в процессе тренировок у спортсмена значительно увеличиваются показатели относительной силы, то это свидетельствует о существенном повышении мышечной силы и, соответственно, о процентном росте содержания самой мышечной массы.

Классификация

Мы изучили в целом, что такое динамометр в зависимости от назначения? Он может быть образцовым и медицинским.

Первые является эталонными приборами, основное предназначение которых заключается в измерении сил сжатия и растяжения статического характера во время ремонта и проверки рабочих стендов, а также испытательных машин. По своей конструкции эти динамометры состоят из тензодатчика силы, который сопряжен с цифровым измерителем.

Зачастую образцовые аппараты очень мало зависят от температуры и влажности окружающей среды, укомплектованы средствами самодиагностики и автоматической компенсацией искажения от воздействия с боков. Приборы долговечны, с малыми габаритами и отличаются высокой точностью. Образцовые динамометры имеют цифровые индикаторы. У них очень удобный для пользователей интерфейс и есть возможность подсоединиться к персональному компьютеру.

Особое внимание уделим медицинским динамометрам. Благодаря им можно определить показатели силы, выносливости, уровня работоспособности человека. Эти аппараты дают отличную возможность диагностировать состояние мышечной системы пациентов и отслеживать их восстановление после различных травм.

Примеры повседневного использования

В повседневной жизни прибор используется для измерения силы 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 так далее. Так как все эти системы могут в случае неправильной юстировки стать причиной травм, разработаны и внедрены технические нормы, определяющие предельные значения сил сжатия в закрывающихся системах.

Виды медицинских динамометров

Что такое динамометр кистевой. Это особо точный диагностический прибор, который служит для вычисления сжимающей силы рук человека. Этот агрегат позволяет тестировать уроки людей. Помимо медицины, кистевой динамометр применяется для тестирования кандидатов, поступающих на службу в различные силовые структуры и правоохранительные органы. Кроме того, экземпляры активно задействованы в среде профессиональных спортсменов и фитнес-центрах. Заметим, что описываемые приборы могут быть и механическими, и электронными.

Второй тип аппарата – становой динамометр. С помощью этого прибора измеряют группы мышц, выпрямляющих корпус человека. Аппарат способствует облегчению диагностики общей работоспособности обследуемого. По своему внешнему виду этот динамометр напоминает ножной эспандер и имеет следующие основные элементы:

• измерительный;
• считывающее устройство;
• подставку под ноги;
• трос с датчиком;
• рукоятку.

Для чего необходимо знать силовые показатели?

Далеко не все знают, как и что измеряет динамометр. Однако такой медицинский прибор довольно хорошо помогает тем, кто регулярно занимается спортом. Ведь систематические самонаблюдения позволяют человеку творчески относиться к своим ежедневным тренировкам и здоровому образу жизни в общем. Зная показатели собственной мышечной силы, спортсмен способен эффективно и рационально использовать физическую культуру для укрепления иммунитета и сохранения здоровья, а также для повышения работоспособности и даже профессионального роста.

Технические характеристики

К динамометру подвешен груз – многие так себе представляют функциональность этого аппарата. Однако на практике в большинстве случаев этот прибор работает благодаря силе рук человека. Наиболее часто используются динамометры серии ДК. В числе их основных параметров значатся:

• Диапазон измерений – от 3 до 140 даН.
• Предел допустимой погрешности – от 0,75 до 4 даН.
• Цена деления прибора – от 0,5 до 2 даН.
• Масса – от 170 до 250 грамм.

Что касается электронных кистевых экземпляров, то их характеристики таковы:

• Максимальный предел измерений – до 120 даН.
• Минимальный предел измерений – 2 даН.
• Дискретность измерений – 0,5 даН.
• Время отключения прибора в случае отсутствия эксплуатации – через 1 минуту.
• Автономная установка нуля – есть.
• Температура эксплуатации – от +10 до +35 градусов по Цельсию.

Становые динамометры производятся со следующими показателями:

• Предел измерений – до 500 даН.
• Цены шкалы – от 2 до 5 даН.

Примечательно, что эти приборы позволяют на ранней стадии диагностировать у детей и подростков проблемы с позвоночником и осанкой.

Маркировка

Человеку, знающему, какие есть динамометры, выбрать нужный легко. Для тех же, кто сталкивается с необходимостью приобретения впервые, будет полезным умение читать двухкомпонентную маркировку динамометров.

Первая часть маркировки состоит из буквенной аббревиатуры, расшифровав которую можно узнать о его назначении. Среди линеек динамометров российских производителей наиболее распространены: ДК (динамометр кистевой), ДМЭР (динамометр электронный ручной) и ДС (динамометр становой).

Вторая часть маркировки – цифровое обозначение. Это верхняя граница диапазона измерений силы динамометром. Так, например, ДМЭР-120 позволяет проводить измерения силы до 120 даН (12000 ньютон).