Измерения массы и силы

Под массой тела подразумевается физическая величина, являющаяся мерой инертности тела или мерой взаимного притяжения двух количеств вещества. В курсе общей физики показывается, что масса инерционная, определенная через 1-ый закон Ньютона, тождественная масса гравитационной, определяемой через закон всемирного тяготения.

Чаще всего в измерениях механических величин не делают отличия между массой (количества вещества) и весом - силой притяжения тела Землей. Для того чтобы сознательно относиться к процессу измерений, необходимо тщательно разграничивать эти физические величины. Сила вообще - это физическая величина, характеризующая взаимодействие тел и определяющая ускорение, с которым будет двигаться определенное количество вещества с массой m. Определение силы опирается на II-ой закон Ньютона:

F=m*a. (5.19)

В различных системах единиц в качестве основной, выбираемой произвольно, выбирается либо масса ( система СИ, система СГС, система МТС), либо сила - практическая система единиц.

Основной метод определения массы - взвешивание - метод определения массы тела путем сравнения с массой эталонных тел - гирь.

Измерения массы проводятся методом компарирования по нескольким схемам. Самая древняя из схем - взвешивание на безмене, который представляет собой гирю постоянной массы, укрепленной на конце длинного стержня. На другой конец стержня укрепляется взвешиваемый груз по схеме, приведенной на рис. 5.17 .

Рис. 05.17. Схема измерения массы на безмене

 

 

При наличии равновесия будет выполнено равенство моментов сил:

(5.20)

Это дает возможность оцифровать стержень безмена в единицах массы. Самым распространенным до недавнего времени было взвешивание на двухплечих весах. В этом случае весы имеют два коромысла, на одно из которых помещают тело, а на второе - определенный набор мер массы -гирь. Схема весов с коромыслами приведена на рис. 5.18 .

Рис. 05.18. Схема весов с двумя коромыслами

 

 

Конструкция весов по схеме, приведенной на рис. 5.18, позволяет определять массу по равенству веса тела и гирь, а также оценивать небольшую разницу в них по углу отклонения стрелки на нижней шкале. Поскольку отклонение от положения равновесия конца стрелки за висит от разности веса тела и гирь ΔР = P₂ - P₁, как

(5.21)

где I - расстояние от точки опоры С до точки установления нагрузки; L -длина стрелки весов и h - расстояние от центра инерции подвижной части весов до точки опоры С. Последняя является константой весов и, как правило, известна из паспортных данных.

Как было указано в части I основные источники погрешности при взвешивании на весах с двумя коромыслами - это неравенство плеч весов и сила Архимеда, действующая на гири и на тело. Если тело и гири изготовлены из разных по плотности материалов, то масса тела будет меньше истинной на величину е, а масса взвешиваемого тела будет равна:

где ε - поправка на архимедову силу, m_T - масса тела и m_г - масса гири.

Гири как меры массы изготавливаются нескольких классов точности. Допустимые нормированные стандартные отклонения массы гирь от номинала приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3.

Допустимые отклонения массы гирь, мг.
(в скобках указана поправка на архимедову силу для стальной гири)

Номинальная масса	КЛАСС
1-2 мг 5 мг 10-20 мг 50-200 мг 500 мг	0,02(0.003)' 0,04(0,007) 0,04(0,007) 0,06(0,010) 0,10(0,017)	- - 0,10(0,025) 0,15(0,038) 0,25(0,017)	- - 0,50(0,13) 0,75(0,19)0 1,25(0,31)	- - - - -
1-2г 5г 10-20 г 50-100 г 200 г 500 г	0,16(0,027) 0,32(0,05) 0,6(0,10) 1,0(0,16) 1,6(0,27) 3,2(0,5)	0,4(0,10) 0,8(0,20) 1,6(0,40) 2,4(0,60) 4,0(1,0) 8(2,0)	2,0 (0,50) 4,0(1,0) 8,0(2,0) 12(3,0) 20(5,0) 40(10)	- - 40(10) 60(15) 100(25) 200(75)
1 кг 2кг 5кг 10кг 20 кг	6,4(1,1) 13(2,1) 25(4,3) 50(8,3) 100(16,6)	16(4,0) 32(8,0) 64(16) 130(33) 250(63)	80(20) 160(40) 320(80) 650(160) 1250(310)	400(100) 800(200) 1600(400) 3200(810) -

Примечание: Гири первого класса имеют точность в 2 - 3 раза более высокую, чем 2 класса.