Măsurarea forțelor. Dinamometrul

Capitol practic despre instrumentele de măsurare a forțelor și utilizarea dinamometrului.

Ce înseamnă să măsori o forță

A măsura o mărime fizică înseamnă a o compara cu o mărime de același fel, aleasă drept unitate de măsură. Când măsori banca cu rigla, afli de câte ori se cuprinde centimetrul în lungimea ei. La fel se întâmplă și cu forțele: rezultatul măsurării ne spune de câți newtoni este forța.

Newtonul (N) este unitatea de măsură a forței în Sistemul Internațional, numită în cinstea lui Isaac Newton. Ca să ai un reper concret: greutatea unui corp cu masa de aproximativ 100 g este de aproape 1 N. Deci o tabletă de ciocolată ținută în palmă apasă cu circa 1 N, iar un ghiozdan cu masa de 5 kg are greutatea de aproximativ 50 N.

Multiplii și submultiplii folosiți la clasă:

• 1 kN (kilonewton) = 1000 N
• 1 daN (decanewton) = 10 N
• 1 mN (milinewton) = 0,001 N

Forța nu poate fi măsurată „direct”, așa cum măsori o lungime punând rigla lângă corp. O măsurăm prin efectele ei: ne folosim de faptul că o forță deformează elastic un arc, iar deformarea este cu atât mai mare cu cât forța este mai mare. Pe această idee simplă este construit dinamometrul.

Dinamometrul – construcție și principiu de funcționare

Dinamometrul este instrumentul folosit pentru măsurarea forțelor. Numele vine din cuvintele grecești dynamis (forță) și metron (măsură).

Părțile lui principale:

• arcul elastic – piesa care „simte” forța; se alungește atunci când tragem de el;
• cârligul, de care se agață corpul sau se aplică forța de măsurat;
• acul indicator, solidar cu arcul, care se deplasează prin fața scalei;
• scala gradată, pe care citim valoarea forței, exprimată în newtoni;
• carcasa (tubul), care susține și protejează arcul.

Principiul de funcționare este simplu: alungirea unui arc elastic este direct proporțională cu forța care îl deformează. Dacă o forță de 1 N alungește arcul cu 2 cm, atunci 2 N îl alungesc cu 4 cm, iar 3 N cu 6 cm. Tocmai de aceea diviziunile de pe scala unui dinamometru sunt egale între ele, spre deosebire de scalele altor instrumente.

Atenție însă: proporționalitatea este valabilă doar cât timp arcul rămâne în domeniul elastic, adică revine singur la lungimea inițială. Dacă tragem prea tare, arcul suferă o deformare plastică, rămâne alungit definitiv, iar instrumentul va indica de acum înainte valori greșite. Un dinamometru „obosit” nu se mai poate repara prin simpla aducere a acului la zero.

Cum folosim corect dinamometrul

Înainte de orice măsurătoare trebuie să cunoști două caracteristici ale instrumentului:

• domeniul de măsurare – intervalul de forțe pe care le poate măsura, de la 0 până la valoarea maximă înscrisă pe scală (de exemplu 0–5 N). O forță mai mare decât maximul strică arcul;
• valoarea diviziunii – forța care corespunde unei singure diviziuni. Se calculează împărțind diferența dintre două valori numerotate vecine la numărul de diviziuni dintre ele. Dacă între 1 N și 2 N sunt 10 diviziuni, valoarea unei diviziuni este 1 N : 10 = 0,1 N.

Etapele unei măsurători corecte:

1. Ține dinamometrul în poziția de lucru (de regulă vertical, suspendat) și verifică dacă acul indică zero; dacă nu, adu-l la zero din șurubul de reglaj. 2. Agață corpul de cârlig și aplică forța pe direcția axei arcului. Dacă tragi oblic, valoarea citită este mai mică decât forța reală. 3. Așteaptă ca acul să se oprească, adică sistemul să ajungă la echilibru. 4. Citește valoarea cu ochiul exact în dreptul acului, privind perpendicular pe scală, ca să eviți eroarea de paralaxă. 5. Notează rezultatul împreună cu unitatea de măsură: F = 2,4 N. Un număr fără unitate nu înseamnă nimic în fizică și se punctează ca greșeală.

Măsurarea greutății și a forței de frecare

Cea mai simplă utilizare este măsurarea greutății. Suspendăm dinamometrul vertical, agățăm corpul de cârlig și așteptăm echilibrul: forța elastică din arc echilibrează greutatea corpului, deci valoarea citită pe scală este chiar G.

De aici putem afla și masa corpului, folosind relația G = m · g, scrisă invers: m = G : g. Pentru un corp cu G = 6 N și g = 10 N/kg obținem m = 6 : 10 = 0,6 kg. Observă drumul: instrumentul dă newtoni, calculul dă kilograme.

A doua utilizare clasică este măsurarea forței de frecare la alunecare. Așezăm corpul pe o masă orizontală, îl legăm de dinamometru și îl tragem uniform, adică cu viteză constantă, ținând dinamometrul paralel cu masa. Atunci forța de tracțiune este egală în modul cu forța de frecare, deci valoarea citită este chiar forța de frecare.

Condiția „mișcare uniformă” nu este un moft: dacă tragem accelerat, dinamometrul arată mai mult decât frecarea, iar rezultatul lucrării de laborator iese greșit.

Cu același montaj putem verifica experimental două concluzii din capitolul despre forțe: frecarea crește dacă punem greutăți suplimentare peste corp și rămâne aceeași dacă așezăm corpul pe o față mai mică, deoarece nu depinde de aria suprafeței de contact.

Erori de măsurare

Nicio măsurătoare nu este perfectă. Rezultatul obținut este întotdeauna o valoare aproximativă a valorii adevărate, iar diferența dintre ele se numește eroare de măsurare.

Principalele surse de erori la dinamometru:

• eroarea instrumentului – nu poate fi mai mică decât valoarea unei diviziuni; cu un dinamometru care are diviziunea de 0,1 N nu poți raporta rezultatul 2,43 N;
• eroarea de zero – acul nu era pe zero înainte de măsurare;
• eroarea de paralaxă – ai citit privind pieziș scala;
• tragerea oblică sau smucită a corpului;
• arcul deformat plastic de la măsurători anterioare care i-au depășit domeniul.

Cum reducem erorile: repetăm măsurătoarea de mai multe ori, în aceleași condiții, și calculăm media aritmetică a rezultatelor. Dacă am obținut 2,4 N; 2,5 N și 2,3 N, valoarea raportată este (2,4 + 2,5 + 2,3) : 3 = 2,4 N.

Regula de bun-simț la lucrarea de laborator: rezultatul se scrie cu atâtea zecimale câte permite instrumentul, niciodată mai multe. Zecimalele inventate nu adaugă precizie, ci doar erori.

Test — 6 întrebări ca la examen