Siłomierzspis treści

Jednym z podstawowych przyrządów w pracowni fizycznej jest siłomierz. Przydatne jest kilka sztuk w celu ilustrowania zarówno sił działających na poruszające się ciała, ale także do ilustrowania składania sił.

Fabryczne siłomierz są niestety dość drogie i wyposażenie pracowni w ich zestaw, szczególnie jeśli chcemy by uczniowie samodzielnie wykonywali doświadczenia. Warto wiec samodzielnie przygotować zestaw siłomierzy, zwłaszcza, że ich konstrukcja jest bardzo prosta i potrzebne elementy można zdobyć w niemal każdym markecie budowlanym.

Niewielkim problemem może być zdobycie sprężyny dobrej jakości – to znaczy takiej która nie będzie zmieniać swoich właściwości w długim czasie. Użycie samodzielnie nawiniętych sprężyn jest do przyjęcia, jednak znacznie prościej skorzystać a gumek recepturek, które co prawda się starzeją, ale są łatwo dostępne, tanie i w razie uszkodzenia będziemy mogli je szybko wymienić.

Zasada działania

Siłomierz pozwala na zamianę siły na przesuniecie które może być odczytane na dołączonej skali. Elementem reagującym zmianą wymiarów na przyłożoną siłę może być dowolne ciało sprężyste. W siłomierzach używamy zakresu sił dla których występuje odkształcenie sprężyste to znaczy takie, że po ustąpieniu siły ciało wraca do poprzedniego kształtu, a właściwie tylko zakres w którym zmiana długości jest funkcją liniową działającej siły. Zależność ta zwana jest prawem Hooka. W przypadku jednowymiarowym można je przekształcić do:

Δl = 1 F
k

Gdzie jest wydłużeniem ciała, F działającą siłą a k współczynnikiem sprężystości – stałym dla danego ciała.

Jako ciała sprężyste można wykorzystać sprężyny lub odcinki taśmy gumowej.

Rys 1. Siłomierz szkolny – przyrząd pozwalający mierzyć działające siły.

Spis elementów

Elementcenaszt.dostępność
Rurka PCV o średnicy 12 mm (1m)8zł1Market budowlany
Rurka PCV o średnicy 8 mm (1m)7 zł1-,,-
Drut stalowy ocynkowany (opakowanie)15 zł1-,,-
Gumki recepturki – paczka5 zł1Sklep AGD, supermarket

Budowa

Schemat siłomierza przedstawiono na rysunku 2. Obudowa siłomierza zrobiona jest z rurek PCV (1) i (2)o tak dobranych średnicach by jedna mogła poruszać się wewnątrz drugiej bez oporów.

Rys. 2. Konstrukcja siłomierza szkolnego. Obudowę wykonano rurek PCV o takich średnicach aby jedna w swobodnie przesuwała się w drugiej. W modelowym rozwiązaniu użyto rurek o średnicach 12 i 8 mm. Elementy metalowe zostały wygięte z drutu. Elementem elastycznym jest gumka recepturka. 1) Rurka PCV 12mm; 2) Rurka PCV 8mm; 3) Gumka recepturka; 4) Drut lub niewielki gwóźdź; 5) Uchwyt wygięty z drutu

Fabryczne siłomierze mają obudowy wykonane z aluminium, jednak rurki plastikowe są łatwiejsze w obróbce i nie stawiają tak dużego oporu. W modelowym siłomierzy użyto rurek PCV dostępnych w sklepach instalacyjno budowlanych. Rurki takie można kupić w metrowych odcinkach wystarczających na przygotowanie 6 siłomierzy. Elementem który zwiększa swą długość pod wpływem przyłożonej siły jest gumka recepturka (3). Gumka ta nie powinna być zbyt szeroka by swobodnie mieściła się w wewnętrznej rurce. Jeden koniec gumki zaczepiony jest o odcinek drutu lun przycięty niewielki gwoździk (4) a drugi – o jeden z zaczepów (5). Zaczepy wykonano z drutu ocynkowanego o średnicy 1.1 mm Drut taki jest wystarczająco sztywny a jednocześnie na tyle plastyczny by można go było giąć kombinerkami.

W modelowym siłomierzu zdecydowano się na umieszczenie oddzielnego mocowania gumki ze względu na łatwość dobrania punktu zaczepienia do długości nie naciągniętej recepturki. Jeśli gumka byłaby wstępnie naciągnięta – to zanim siłomierz wskazałby jakąkolwiek wartość – trzeba byłoby przyłożyć siłę równą sile wstępnego naciągnięcia. Dobrze jest więc po przygotowaniu obudowy siłomierza, wybrać położenie mocowania tak by gumka była wyprostowana ale jeszcze nie naciągnięta w momencie gdy rurki tworzące konstrukcje siłomierza są niemal całkowicie złożone.

Pewnym problemem może być wsunięcie gumki (3) w środek wewnętrznej rurki (2) oraz jej zamocowanie. Przy odrobienie wprawy udaje się to przy użyciu haczyka wygiętego z tego samego drutu z którego wyginane są zakończenia. Po wsunięciu części gumki od strony bliższej mocowaniu, przeciskamy przez wcześniej wywiercone otwory o średnicy 0.9 mm niewielki gwoździk lub kawałek drutu, którego wystające elementy obcinamy szczypcami i opiłowujemy pilnikiem iglakiem. Po sprawdzeniu, że gumka jest zahaczona o tak powstałą przetyczkę, możemy ją wyciągnąć korzystając z haczyka który łatwo przygotować zaginając na końcu drutu odcinek o długości około 2 mm.

Gotowy siłomierz trzeba jeszcze wyskalować. Ponieważ gumki będą wymieniane i proces skalowania będziemy co jakiś czas powtarzać, warto skale siłomierza nanieść na kawałku papieru przyklejonego przezroczystą taśmą klejącą. Skalę można przygotować rysując ją długopisem, a następnie przygotować w dowolnym programie graficznym i wydrukować (w zasadzie wystarcza MS Paint do przygotowania ilustracji i MS Word do przeskalowania rysunku).

Najprościej wyskalować siłomierz korzystając z uprzejmości nauczyciela dysponującego lepiej wyposażoną pracownią, lecz można sobie poradzić także przy pomocy odważników lub czegokolwiek o znanej masie. Zakładając liniowy przyrost długości gumki w zakresie rozciągania o 30-40% - wystarczą nam dwie kostki masła (po 200g – co odpowiada z grubsza 2N) by wyznaczyć trzy punkty na skali. Resztę podziałki interpolujemy.

Na koniec warto sprawdzić czy siłomierze wskazują podobne wartości, tak by nie trzeba było specjalnie oszukiwać przy demonstracji składania sił.