Mierzymy otaczający nas świat
Email

Waga tensometryczna z ołówka


 

Waga tensometryczna z ołówka

 

Bogusław Malański
Planetarium i Obserwatorium Astronomiczne im. Arego Sternfelda
Łódź

Tensometr to czujnik, który zmienia pewną wielkość, np. opór elektryczny pod wpływem odkształcenia związanego z naprężeniem. Takie czujniki przymocowuje się do badanych obiektów, których  odkształcenia chcemy zbadać.


ołowek2  waga 




Waga Tensometryczna


 
Podstawa programowa:
Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie z nich wniosków.
Opisywanie przebiegu doświadczenia, wyjaśnianie roli użytych przyrządów.
Wyodrębnianie zjawiska z kontekstu, wskazywanie czynników istotnych i nieistotnych dla przebiegu doświadczenia.
Odczytywanie danych, zapisywanie danych w formie tabeli.
Sporządzanie wykresu na podstawie danych tabeli.
Budowa prostych obwodów elektrycznych, rysowanie ich schematów.

 
 

Proponuję zbudowanie prostej wagi tensometrycznej. W internecie znalazłem informację, że ołówki elastyczne, które można wyginać ( niektóre dość znacznie) posiadają tzw. rysik wykonany z pewnego rodzaju polimerów z dodatkiem grafitu. Rysik ten zmienia swój opór elektryczny pod wpływem naprężenia. Zbudujmy zatem wagę tensometryczną oporową. W moim egzemplarzu użyłem ołówka firmy: BIC ECOlutions Evolution 650 HB No. 2 –Rys. 1 . Ołówek został zakupiony w sklepie z materiałami piśmienniczymi w Łodzi i kosztował 1,75zł . Zapewne wielu innych producentów wytwarza takie ołówki, a ceny nie różnią się zbyt wiele. Nazwa ECO dotyczy zapewne oprawki ołówka, która wyraźnie nie jest drewniana.

ołówek1
Rys.1

Na końcach ołówka wykonujemy wcięcia, które pozwolą na podłączenie omomierza do rysika.


ołówek2
Rys.2

nacięcie
Rys.3

Reszta jest już banalna. Jeden koniec ołówka mocujemy w uchwycie. Do odsłoniętych fragmentów rysika podłączamy końcówki omomierza. Drugi koniec ołówka obciążamy.

waga
Rys.4

Ja użyłem gotowych ciężarków 50 gramowych dostępnych w każdej, nawet najbiedniejszej szkolnej pracowni fizyki, ale można użyć cokolwiek innego o znanej masie. Należy naszą wagę wyskalować zawieszając „znaną masę” i notując odczytaną wartość oporu elektrycznego. Następnie sporządzamy wykres typu : opór elektryczny = f(obciążenie). Nie podaję żadnych danych liczbowych (nie wspominając już o jednostkach obciążenia) gdyż silnie zależą one od typu ołówka, jego długości, miejsca zamocowania ołówka oraz miejsca jego obciążenia. Dodatkowo od kontaktu rysika z przewodem – tzn. rozewrzemy krokodylek, zaciśniemy go ponownie - już nie tak samo; mierzona rezystancja jest inna. Może to być swoją drogą dodatkowym punktem do dyskusji z uczniami, jak zapewnić powtarzalne warunki doświadczenia..

Jeżeli waga ma służyć na nieco dłużej, to warto wykonać połączenie z odsłoniętym rysikiem w sposób następujący: owijamy wycięte miejsce ołówka z odsłoniętym rysikiem kilkoma zwojami odizolowanego drutu , miejsce owinięcia pokrywamy klejem np. Poxipol, który wiąże w ciągu 5 minut zabezpieczając połączenie już na stałe. Wpływ kontaktu na pomiar został wyeliminowany.


pomiar1
Rys.5

pomiar2
Rys.6

pomiar7
Rys.7

Rysunki 5,6,7 pokazują etapy skalowania mojej wagi. Otrzymany wykres skalowania wagi jest w przybliżeniu liniowy, zwłaszcza jeżeli zapewnimy niezmienny kontakt elektryczny z rysikiem oraz nie przekroczymy zakresu odkształceń sprężystych.

Po wyskalowaniu możemy przystąpić do ważenia czegokolwiek. Z omomierza odczytujemy opór elektryczny, a z wykresu odnajdujemy ciężar.

Co nam daje zrobienie wagi tensometrycznej oporowej?

Mechanika – masa, ciężar, moment siły, odkształcenia sprężyste

Elektryczność – opór elektryczny, budowa omomierza i jego użycie

Matematyka – sporządzanie wykresów na podstawie danych liczbowych, korzystanie z gotowego wykresu.

Cała zabawa kosztuje kilka złotych, nie licząc kosztu omomierza, który zapewne jest w szkolnej pracowni fizyki. Jeżeli nie to proste cyfrowe mierniki (oczywiście chińskie) można kupić w sklepach za około 15-20 zł lub na bazarach za około 10 zł. To niedużo (2-3 duże butelki Coca-Coli, która rozpuszcza zęby), a miernik przyda się do innych doświadczeń.

UWAGI:

Ołówków elastycznych czy nawet superelastycznych jest mnóstwo na rynku. Niektóre z nich można zwinąć w pętelkę – Rys. 8, 9. Źródło zakupu to sklepy z „dziwnymi gadżetami”, sklepy typu „wszystko po …zł”, papiernie, jak i okoliczne bazarki. Ja wybrałem ołówek umiarkowanie elastyczny, gdyż stanowił on od razu ramię mojej wagi. Warto jednak pomyśleć nad skonstruowaniem wagi lub siłomierza z wykorzystaniem ołówków superelastycznych, gdyż ich rezystancja w trakcie odkształcania zmienia się w dużo większym zakresie niż w ołówkach umiarkowanie elastycznych.

elastyczny ołowek
Rys.8

pętla z ołówka
Rys.9


Zwykłe ołówki (drewniana oprawka ,rysik ; mieszanina grafitu z kaolinem) też przy odkształcaniu wykazują oporowe właściwości tensometryczne. Problem w ich użyciu leży w tym, że do odkształcenia ich potrzebne są duże siły a przy wygięciu o około 5 - 7 stopni gwałtownie pękają. Dodatkowo rysiki w tradycyjnych ołówkach często bywają w środku pęknięte, co daje na omomierzu wynik: ∞ Ω.