Способы относительных измерений силы тяжести

Лекция 5. Измерения силы тяжести

В настоящее время применяются три способа измерений силы тяжести: маятниковый, свободного падения и взвешивания на пружинных весах. Маятниковый способ предусматривает применение математического маятника. Основным преимуществом маятникового способа является повторяемость процесса и свойство изохронности, т. е. период маятника можно определить не по одному колебанию, а с помощью, например тысячи, а длительность одного получить делением всего интервала на число колебаний. Причем точность определения периода находится в прямой зависимости от длины нити маятника, т.е. простым удлинением нити можно повысить точность определения периода колебаний маятника. С помощью этого метода можно получать не только абсолютные значения силы тяжести, но и относительные.

Способ определения силы тяжести по наблюдениям свободного падения тел основан на законе, связывающем путь , пройденный свободно падающим телом в силовом поле напряженности , и время

. (5.1)

Этот метод является только абсолютным и требует очень точного определения времени.

Способ определения силы тяжести методом взвешивания основан на принципе компенсации силы , развиваемой массой в силовом поле силой упругой пружины, закручиванием нити или упругости газа. На этом принципе основан обширный класс приборов для измерения силы тяжести, так называемых гравиметров. Этот способ всегда относительный.

5.2 Гравиметр астазированный кварцевый (ГАК). Для измерения силы тяжести используют динамические и статические приборы. К динамическим приборам относят математические и физические маятники. Гравиметры называются статическими приборами. Их классифицируют следующим образом:

А) по признаку действия упругой системы гравиметра;

В) по материалу, из которого выполнена упругая система гравиметра;

С) по способу устранения внешних воздействий.

По признаку действия упругой системы гравиметра, гравиметры делятся:

1) Системы, в которых масса, в следствие изменения силы тяжести, совершает поступательные перемещения, пропорциональные этому изменению, т.е

, (5.1)

где m-масса груза, g-ускорение силы тяжести, коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины, -первоначальная длина пружины, -длина пружины после растяжения;

2) Системы гравиметров, в которых груз совершает вращательные движения около некоторой точки подвеса, т. е.

. (5.2)

Первые системы имеют линейную шкалу, т. е. изменение длины пружины пропорционально приложенной силе. Во вторых системах шкала будет линейной, если . Для сохранения линейности шкалы используют метод отсчетов, в котором система всегда приводится в одно и то же «нулевое» положение, т. е. - к состоянию равновесия. Чувствительность таких систем можно очень хорошо повышать. Искусственное повышение чувствительности прибора называется астазированием. Рассмотрим этот принцип на примере. Пусть весы АВ опираются на нож С (рисунок 5.1). На одной стороне весов укрепляется масса m, а с другой стороны находится пружина, которая держит весы в состоянии равновесия. Над ножом С устанавливается дополнительная масса . Если весы находятся в состоянии равновесия, то тогда дополнительная масса просто давит сверху на нож С.

Рисунок 5.1. – Схема астазирования

Если установить весы в неоднородном гравитационном поле, то весы начинают наклоняться в ту или иную сторону. Вместе с коромыслом начнут наклоняться и стержень С , и дополнительная масса . Возникнет момент силы тем больший, чем сильнее повернулось коромысло, когда изменилась сила тяжести. Этот момент будет заставлять весы наклоняться еще, увеличивая угол наклона весов. Величина этого увеличения будет зависеть от величины добавочной массы . Принцип астазирования можно объяснить следующим образом, что небольшое увеличение силы тяжести должно определяться небольшим наклоном весов, но с помощью астазирования можно добиться того, что небольшое увеличение силы тяжести определяется большим углом наклона весов. Это и есть повышение чувствительности прибора.

По материалу, из которого выполнена упругая система, гравиметры делятся на металлические, кварцевые и газовые. Металлические гравиметры выполнены из сплава, который называется элинвар. В состав элинвара входят 36 % никеля, 63 % железа и множество присадок. Упругие свойства элинвара очень высоки, но с повышением температуры элинвар теряет свои свойства.

Более приемлимым материалом является плавленный кварц, т. к. он обладает высоким коэффициентом упругости. Пружины, сделанные из кварца, если и имеют растяжение, однако оно небольшое и пропорционально времени. У кварца также есть свои недостатки: ухудшение упругих свойств при повышении температуры, гигроскопичность, электризация при трении о воздух.

В газовых гравиметрах упругим элементом является газ, т. е. изменение силы тяжести компенсируется упругими свойствами газа.

Гравиметры классифицируют также и по способу устранения внешних воздействий. Внешними воздействиями считают изменение температуры, давления, магнитного поля. Магнитное поле действует, в основном, на металлические гравиметры.

Воздействие температуры можно уменьшить с помощью термостата, а остаточные воздействия убираются с помощью введения в наблюденные значения силы тяжести поправок, учтенных с помощью температуры.

Дата добавления: 2015-07-02