Весы для сравнения масс трех тел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Весы для сравнения масс трех тел

Автор: Москалев Никита Евгеньевич

Руководитель: Сорокин Антон Петрович

г. Киров, 2016 г.

Аннотация

В настоящее время сложно представить себе хотя бы одну сферу общественной жизни человека, в которой не использовались бы весы - прибор для определения массы тел по действующей на них силе тяжести.

Весы - это один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. В настоящее время научно-технический прогресс тоже не стоит на месте. Ежегодно внедряются новые производственные технологии, наращиваются темпы производства, повышается уровень качества товаров и услуг.

Совершенствование конструкции весов позволит повысить производительность систем и механизмов на тех производствах, где весы используются в качестве основного элемента автоматизированной системы учета и контроля материальных потоков для оперативного управления производством. Кроме того, позволит увеличить объёмы производства, повысить качество и рентабельность продукции, снижая при этом затраты и издержки.

Введение

Постановка проблемы.

При решении на математических кружках задач по теории информации, обучающиеся нередко сталкиваются с проблемой, когда за ограниченное число взвешиваний на чашечных весах необходимо определить, какое из тел является фальшивым.

Пример задачи. Одна из девяти монет фальшивая, она весит легче настоящей монеты. Как определить фальшивую монету за 2 взвешивания?

Ключевая идея решения подобных задач - это правильная трисекция, то есть последовательное деление множества вариантов на три равные части, тогда при любом исходе число исследуемых объектов уменьшается ровно втрое.

При решении подобной задачи на физическом кружке обучающиеся столкнулись с проблемой, что не существует весов, с помощью которого можно было бы одновременно сравнивать между собой массы трех тел, поэтому было принято решение их сконструировать.

В последствие оказалось, что данная конструкция весов может быть использована не только на кружке по физике при решении конкретной физической задачи, но и в промышленных масштабах, например, в системах автоматизированного учета и контроля материальных потоков, при измерении массы сырья во время движения, что позволит значительно ускорить процесс производства.

Цель

- сконструировать весы, с помощью которых можно одновременно сравнивать между собой массы трех тел.

Задачи

- Изучить классификацию весов по принципу действия (по тому, на каких физических законах основано взвешивание).

- Сконструировать весы, с помощью которых можно было бы одновременно сравнивать массы трех тел.

- Обозначить возможные сферы их практического применения.

Актуальность

Совершенствование конструкции весов позволит не только увеличить объемы производства, но и повысить качество и рентабельность продукции, снижая при этом затраты и издержки.

Новизна

Конструкция весов, с помощью которых можно было бы одновременно сравнивать между собой массы трех тел, ранее в литературе не рассматривалась.

Методы исследования

Теоретический - изучение и анализ литературных источников.

Экспериментальный - разработка и создание весов.

весы пружинный крутильный рычажный

Основное содержание

Изучение классификации весов.

Простейшие весы 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 весы с передвижной гирей (безмен). Уже в 4 в. до н. э. Аристотель дал теорию таких весов (правило моментов сил). В 12 в. арабским учёным аль-Хазини были описаны весы 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 весы. Общая теория весов была развита Л. Эйлером в 1747 г.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие промышленности и транспорта привело к созданию весов, рассчитанных на большие нагрузки. В начале 19 в. были созданы десятичные весы (рис. 2) (с отношением массы гирь к нагрузке 1:10 - Квинтенц, 1818) и сотенные весы (В. Фербенкс, 1831). В конце 19 - начале 20 вв. с развитием поточного производства появились весы для непрерывного взвешивания (конвейерные, дозировочные и др.). В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, на транспорте стали применять весы 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 весов - аналитических, микроаналитических, пробирных и др.

Классификация весов по принципу действия

Рычажные весы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наиболее распространены весы, действие которых основано на законе равновесия рычага. Точка опоры рычага («коромысла» весов) может находиться посередине (равноплечные весы) или быть смещенной относительно середины (неравноплечные и одноплечные весы). Многие рычажные весы (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 весах 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 весов определяется формулой

s = k (Poc / 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 весов, можно в определенных пределах изменять (обычно за счёт перемещения специального грузика, изменяющего расстояние с).

В ряде рычажных лабораторных весов 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 весы к равновесию. Измеряя силу тока, определяют пропорциональную ей нагрузку весов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подобного типа весы 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 весами. Центр тяжести коромысла совмещен в этих весах с осью вращения.

В лабораторной практике всё шире применяются весы (в особенности аналитические) со встроенными гирями на часть нагрузки или на полную нагрузку (рис. 4). Принцип действия таких весов был предложен Д. И. Менделеевым.

Гири специальной формы подвешиваются к плечу, на котором находится чашка для нагрузки (одноплечные весы), или (реже) на противоположное плечо.

В одноплечных весах (рис. 5) полностью исключается погрешность из-за неравноплечности коромысла.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные лабораторные весы (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 весов. Всё чаще применяются проекционные шкалы, позволяющие расширить диапазон измерений по шкале отсчёта при малых углах отклонения коромысла. Всё это позволяет значительно повысить быстродействие весов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В быстродействующих технических квадрантных весах (рис. 6) предел измерений по шкале отклонения коромысла составляет 50-100% от предельной нагрузки весов, 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 весов устроено большинство типов метрологических, образцовых, аналитических, технических, торговых (рис. 7), медицинских, вагонных, автомобильных весов, а также весов автоматических и порционных.

Пружинные весы

В основу действия пружинных весов положен закон Гука. Чувствительным элементом в пружинных весах является спиральная плоская или цилиндрическая пружина, деформирующаяся под действием веса тела. Показания весов 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 весов измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных весов градуируется в единицах массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных весов зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем; всё это снижает точность пружинных весов.

Тензометрические весы

Действие электротензометрических весов 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 весы (вагонные, автомобильные, крановые и т.д.) применяются для взвешивания больших масс.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Крутильные (торзионные) весы.

В крутильных (торзионных) весах, чувствительным элементом служит упругая нить или спиральные пружины (рис. 8). Нагрузка определяется по углу закручивания нити пружины, который пропорционален создаваемому нагрузкой крутильному моменту.

Гидростатические весы

Гидростатические весы применяют, главным образом, для определения плотности твёрдых тел и жидкостей. Действие их основано на законе Архимеда.

Гидравлические весы

Гидравлические весы по устройству аналогичны гидравлическому прессу. Отсчёт показаний производится по манометру, градуированному в единицах массы.

Характеристики весов

1) Предельная нагрузка - наибольшая статическая нагрузка, которую могут выдерживать весы без нарушения их метрологических характеристик;

2) Цена деления - масса, соответствующая изменению показаний на одно деление шкалы;

3) Предел допускаемой погрешности взвешивания - наибольшая допускаемая разность между результатом одного взвешивания и действительной массой взвешиваемого тела;

4) Допускаемая вариация показаний - наибольшая допускаемая разность показаний весов при неоднократном взвешивании одного и того же тела.

Конструирование устройства

Анализ литературных источников показывает, что наиболее часто в различных сферах общественной жизни человек сталкивается с конструкцией весов, действие которых основано на законе равновесия рычага.

В связи с этим было принято решение сконструировать весы для сравнения массы трех тел, принцип действия которых будет основан на этом физическом законе.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 9 представлена возможная конструкция весов. Она представляет собой равноплечие рычажные весы с тремя чашками, расположенными на концах рычага, плечи которого ориентированы друг к другу под одинаковым углом равным ? = 360/n = 120°, где n - количество тел, массы которых требуется сравнить. С помощью прочной нити весы крепятся в лапке штатива за центральную часть, после чего в чашки кладутся тела, массы которых требуется сравнить. После того, как весы придут в равновесие, грузы займут следующее расположение в пространстве: самый тяжелый груз ниже всего, самый легкий - выше всего.

Данная конструкция весов проста в изготовлении и не требует больших временных и финансовых затрат. При необходимой они могут быть модифицированы (вплоть до изменения принципа действия) как для повышения точности, так и для увеличения количества тел, массы которых требуется сравнить. Стоит отметить, что не любая конструкция весов будет пригодна для сравнения большого количества масс тел.

Анализ литературы показывает, что изготовить подобное устройство, основанное на другом принципе действия (физическом законе, на котором основано взвешивание) не составляет большой трудности. В процессе работы над рычажными весами были также сконструированы пружинные и гидравлические весы.

Сферы практического применения

Весы, с помощью которых можно было бы сравнивать одновременно массы трех и более тел будут эффективны в тех случаях и на тех производствах, где они используются в качестве основного элемента автоматизированной системы учета и контроля материальных потоков, при измерении массы сырья во время движения, что позволит значительно ускорить процесс производства.

Выводы

Была рассмотрена классификация весов по принципу действия, сконструированы весы, с помощью которых можно одновременно сравнивать массы трех тел, обозначены возможные сферы их практического применения, а также перспективы и направления дальнейшей работы в данном направлении.

Заключение

Совершенствование конструкции весов позволит повысить производительность систем и механизмов на тех производствах, где весы используются в качестве основного элемента автоматизированной системы учета и контроля материальных потоков для оперативного управления производством. Кроме того, позволит не только увеличить объёмы производства, но и повысить качество и рентабельность продукции, снижая при этом затраты и издержки.

Размещено на Allbest.ru