Lekce IV / 12 - Siloměr

Cíl lekce:

Žáci se během lekce seznámí s fyzikální veličinou síla a zapamatují si její značku i jednotku. Na modelu siloměru si vyzkouší, jak se síla měří.

Zeptejte se Vašich dětí:

Co je to síla?
Jak se jmenoval fyzik, kterému spadlo na hlavu jablko?
Jaká je základní jednotka síly?
Jakým písmenem se značí síla?
Jak se nazývá přístroj, pomocí kterého měříme velikost síly?
Z jakých částí se skládá siloměr?

Síla

Síla je vektorová fyzikální veličina, která vyjadřuje míru působení těles nebo polí. Síla se projevuje statickými a dynamickými účinky. Statické účinky síly jsou příčinou deformace těles. Dynamické účinky síly jsou příčinou změny pohybového stavu tělesa (hmotného bodu), např. uvedení tělesa z klidu do pohybu nebo naopak, či změny velikosti nebo směru rychlosti tělesa. Taková změna je vždy podmíněna působením jiných těles, ať už přímým dotykem nebo prostřednictvím silového pole. Toto působení je v Newtonově mechanice spojováno s existencí síly působící mezi oběma interagujícími tělesy.
Pojem síly je základním pojmem pro vektorovou formulaci mechaniky a elektrodynamiky. Analytická mechanika, teorie relativity, ani kvantová teorie již z tohoto pojmu nevycházejí, avšak na základě analogie či principu korespondence umožňují sílu nebo její zobecnění vyjádřit.
Síla je vektorovou veličinou. Síla působící na hmotný bod je vázaným vektorem, tj. působiště síly je v tomto bodě. Síla se měří siloměrem, obvykle se značí písmenem F a v soustavě SI má jednotku newton, která se značí písmenem N.

Velikost síly
Obrázky Globe Atlantic (upraveno) od U.S. Government [Public domain, U.S. federal Government] via Wikimedia commons; Catching Fingers Silhouette (upraveno) od Piotr Siedlecki [Public domain] via PublicDomainPictures

Siloměr

Siloměr je přístroj k měření velikosti síly nebo kroutícího momentu. Měřítkem velikosti síly je stupeň deformace pružné části siloměru, například pružiny. Tvar a tuhost pružné části siloměru je volen s ohledem na měřicí rozsah siloměru a na způsob odečítání hodnoty deformace. Skládá se z pružiny, háčku, stupnice a obalu. Bez těchto částí by siloměr nemohl fungovat. Základem siloměru je tedy pružina, která se natahuje podle síly. Síla se odečítá na stupnici. Při měření se musí dávat pozor na rozsah siloměru, neboť by se mohl zničit.
V soustavě SI je jednotkou síly newton (N). Pro řadu technických měření je přiměřenější udávat výsledek v násobku kilonewton (1 kN zhruba odpovídá tíze břemene o hmotnosti 100 kg).
Měřená síla se buď odečítá opticky na stupnici, nebo zjišťuje prostřednictvím elektrického měření. Takovýto přístroj, zapojovaný do měřicího řetězce s dalším přístrojem, nazýváme též snímač síly. Nejobvyklejší snímač síly je tenzometrický, využívající vhodně tvarovanou pružnou část polepenou tenzometry nebo s tenzometry napařenými.

Siloměr
Obrázek Dynamometer od halilkesler [Public Domain] via Pixabay

Siloměry lze rozdělit podle:

Technického provedení – mechanické, elektrické (digitální)
Provedení pružné části siloměru – krabicový (měření síly se převádí na měření tlaku v kapalině), kroužkový, pružinový, torzní, smyčkový
Směru a účinku působící síly - tahové, tlakové, tahotlakové, zkrutné
Použití – demonstrační, laboratorní, obchodní, průmyslové

Při výrobě stupnice u siloměru byla využita skutečnost, že hmotnost nějakého předmětu souvisí s gravitační silou, kterou je tento předmět přitahován k Zemi. Kilogramový předmět přitahuje Země silou přibližně 10 N, 3 kg těžký předmět silou 30 N, 0,25 kg těžký předmět silou 2,5 N (velikost síly v newtonech je desetkrát větší než hmotnost v kilogramech).
Čím těžší předmět pověsíme na siloměr, tím více se protáhne jeho pružina (nebo gumička) a můžeme tak měřit velikost gravitační síly, kterou je předmět přitahován k Zemi. Zároveň však takto můžeme siloměrem měřit i hmotnost předmětu - vážit ho. Stačí pouze nakreslit jinou stupnici - ne v newtonech, ale v kilogramech. Takové siloměry, které mají stupnici v kilogramech a slouží k vážení předmětů, se nazývají mincíře.

Mincíř
Obrázek Steelyard (PSF) od Pearson Scott Foresman [Public domain] via Wikimedia commons

Mechanický siloměr se stupnicí cejchovanou v jednotkách hmotnosti slouží jako váhy v případech, kdy nevadí jeho menší přesnost. Pro tyto účely se mincíře používají již dlouhou dobu, jsou robustní, snadno přenosné a nevyžadují závaží. Slouží pro hrubá obchodní měření a umožňuje zjišťování hmotnosti v rozsahu od 1 kg do několika tun (jeřábové váhy). Obdobou mincíře jsou moderní tenzometrické váhy, u kterých již nelze hovořit o snížené přesnosti.
Možná máte takový mincíř na rychlé vážení různých předmětů doma. Také některé druhy mechanických vah (např. osobní váhy, nebo kuchyňské váhy na zeď) obsahují pružinu, která se při zatížení mírně stlačuje (většinou přes nějaký převodový mechanismus), a fungují tak v podstatě stejně jako siloměry.
Z toho, co bylo řečeno, by se mohlo zdát, že gravitační síla je prakticky totéž jako hmotnost, jenom desetkrát větší. Tak to ale rozhodně není. Jde totiž o dvě zcela různé fyzikální veličiny. To, co jsme si řekli o vztahu mezi gravitační silou a hmotností, např. platí pouze blízko povrchu Země. Pokud budeme šplhat na vysokou horu, bude se gravitační síla, která na nás působí, malinko zmenšovat, ale naše hmotnost zůstane zcela stejná. Také na Měsíci nebo na jiných planetách zůstane naše hmotnost stále stejná, ale gravitační síla, kterou nás bude planeta přitahovat, bude pokaždé jiná.

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: