【寰宇视野上学路】牛顿(物理学单位)

2020-06-12 - 寰宇视野

牛顿(Newton),简称牛,符号为N。是一种衡量力的大小的国际单位,以科学家艾萨克·牛顿(Issac Newton)的名字而命名。在国际单位制(SI)中,力的计量单位为牛顿。

牛顿的定义是:加在质量为1kg的物体上,使之产生1m/s加速度的力为1N。其量纲为[F]=M・L・T,即:1N=1kg×1m/s。

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力单位的十进倍数单位和分数单位,可用SI词头加SI单位构成。例如,千牛(kN)、兆牛(MN)、毫牛(mN)、微牛(μN)等。

牛顿,简称牛,符号为N,是一种衡量力的大小的国际单位。

根据牛顿第二定律 F=ma,可知1N=1kg·m/s²

能使一千克质量的物体获得1m/s²的加速度所需的力的大小定义为1牛顿。

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物理学中,用G=mg求重力,其中G为重力,m为质量,g为常数,约为9.8N/kg。

g也是重力加速度,也是常数,约9.8m/s²

g随纬度和高度的变化而变化

推导:9.8N/kg=9.8(kg·m/s²)/kg=9.8m/s²

在物理中牛顿(Newton,符号为N)是力的公制单位。它是以创立经典力学的艾萨克·牛顿(Sir Isaac Newton)命名。牛顿是一个国际单位制导出单位,它是由kg·m/s²的国际单位制基本单位导出。

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力是一个矢量,由力的大小、方向和作用点三个要素来确定。

力是物体之间的相互作用,这种作用能使物体的机械运动状态发生变化或使物体形状发生变化。也就是说,凡能使物体动量发生变化而获得加速度或者使物体发生变形的作用都称为力。使物体运动状态发生变化的效应叫力的动力效应,使物体产生变形的效应叫力的静力效应。

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力的测量方法很多,如:可用与已知重力相平衡的方法测力,也可以用与力成比例的各种物理效应(如,弹性、压磁、压电等效应)来测力。尽管方法很多,但可归纳为利用力的动力效应和力的静力效应两种方法测力。

1.利用力的动力效应测量力值

力的动力效应是使物体产生加速度。根据牛顿第二定律,如果物体的质量及其所获得的加速度测得了,物体所受到的力也就知道了。

在重力场中,地球的引力使物体产生重力加速度,这种力就称为“重力”。因物体所在地点的重力加速度是一定的,所以物体所受的重力与物体的质量成正比。因此,可用已知质量的物体在重力场中的重力来测力,也可将重力放大后来测力,这就是利用力的动力效应测力的基本原理。

力基准机和静重式、杠杆式、液压式力标准机,以及一些材料试验机,就是根据动力效应来测力的。

2.利用力的静力效应测量力值

如前所述,力的静力效应是使物体产生变形。测出物体受外力作用后的变形量,或变形引起的其他物理量的变化,也就可求出力。百分表式、水银箱式等各种弹性环式标准测力仪,以及利用各种物理效应(如应变、压磁、压电等效应)制成的各种力传感器来测力都是利用静力效应来测力。

常用的测力方法大致有下列几种:

(1)用已知重力或电磁力平衡被测力,从而直接测得被测力。

(2)通过测量一个在被测力作用下的已知质量的物体的加速度来间接测量被测力。

(3)通过测量由被测力产生的流体压力测得被测力。

(4)当被测力张紧一振动弦,该弦的固有频率将随被测力的大小而改变.通过测量该频率的变化来测得被测力。

(5)通过测量在被测力作用下某弹性元件的变形或应变来测得被测力。

上述的测力方法,大部分用于静态力或缓慢变化力的测量。但最后一种方法则适用于静态力或频率数千赫以下的动态力的测量,因而是一种应用极广泛的测力方法。

测力传感器(或测力装置)的形式很多,根据其转换原理不同,有电阻式、电感式、电容式、压磁式、压电式等类型。

1.电阻应变式测力传感器

力的测量可以在被测对象上直接粘贴电阻应变计和组桥,也可以在弹性元件上粘贴电阻应变计和组桥,构成各种测力传感器。常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐式等多种形式。电阻应变式测力传感器具有结构简单、制造方便、精度高等优点,在静态和动态测量中获得了广泛的应用。

2.其他测力传感器

(1)电容式测力传感器

在矩形的特殊弹性元件上,加工若干个贯通的圆孔,每个圆孔内固定两个端面平行的“丁”字形电极,每个电极上贴有铜箔,构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。在力F作用下,弹性元件变形使极板间距发生变化,从而改变电容量。

电容式测力传感器的特点是:结构简单,灵敏度高,动态响应快,但是由于电荷泄漏难以避免,不适宜静态力的测量。

(2)压电式测力传感器

压电式测力传感器的特点是:体积小,动态响应快,但是也存在电荷泄漏问题,一般也不适宜静态力的测量。使用中应防止承受横向力和施加预紧力。

(3)压磁式测力传感器

某些铁磁性材料受到外力作用时,引起磁导率的变化,这种效应称之为压磁效应。它应用于治金、矿山、运输等部门,为自动称重和测力装置。在使用时,通过吊环、传力板及压环对载荷的传导,使得压磁铁心发生形变,磁力线分布发生变化,部分磁力线和测量绕组交链,并在测量绕组中产生感应电动势,且作用力越大,感应电动势就越大。

压磁式测力传感器的特点是:硅钢材料受力面加大后,可以进行数千吨力的测量,且输出电动势较大,甚至只需滤波整流而无需放大处理,常用于大型轧钢机的轧制力的测量。工程实际测量中应防止有侧向力干扰,而破坏硅钢的叠片结构。

(4)差动变压器式测力传感器

差动变压器式测力传感器中的弹性元件是一个簿壁圆筒(即外壳),在外力F作用下,变形使差动变压器的铁心介质微位移,变压器二次侧产生相应电信号。

差动变压器式测力传感器的特点是工作温度范围较宽。为减小横向力或偏心力的影响,传感器的高径比应尽量小。

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