DE217012C - - Google Patents
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mtjufiiicjl; bet. (iüniM-nfinimtjufiiicjl; bet. (iüniM-nfini
KAISERLICHESIMPERIAL
PATENTAMT.PATENT OFFICE.
PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING
— JVl 217012 — KLASSE 42/. GRUPPE - JVl 217012 - CLASS 42 /. GROUP
Dr. MAX REINGANUM in FREIBURG i. Br.Dr. MAX REINGANUM in FREIBURG i. Br.
Federwage. Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. September 1907 ab. Spring balance. Patented in the German Empire on September 21, 1907.
Bei Schraubeniederwagen wie bei Torsionsfederwagen läßt sich durch geeignete Benutzung der Schwerkraftswirkung auf einen schräg gestellten, seine Neigung ändernden Hebelarm eine Astasierung bewirken, die bisher noch nicht zur Vergrößerung der Empfindlichkeit Von Federwagen angewandt wurde. Es entsteht so eine Art Kombination von Feder- und Grayitationwage, die im folgenden unter I ίο für die Schraubenfedern (oder allgemeiner für Dehnungselastizität), unter II für Torsionsfedern (oder Torsionselastizität) beschrieben werden soll. Unter III werden sodann einige Anwendungsgebiete dieser Wagen besprochen.In the case of screw trolleys and torsion spring trolleys, suitable use the effect of gravity on an inclined lever arm that changes its inclination cause astasis that has not yet been used to increase sensitivity Was applied by spring carriage. This creates a kind of combination of spring and Grayitationwage, which in the following under I ίο for the coil springs (or more generally for Elongation elasticity), described under II for torsion springs (or torsional elasticity) shall be. A few areas of application for these wagons are then discussed under III.
I. Theorie der neuen Spiralfederwage.I. Theory of the new spiral spring balance.
i. Es liege eine Schraubenfeder vor, deren Länge im unbelasteten Zustand Null ist, d. h.i. There is a helical spring, the length of which in the unloaded state is zero, i. H.
die sich, wie ja leicht denkbar und herzustellen, unbelastet ganz in eine Ebene zusammenzieht. Die Masse der Feder und somit auch die Wirkung der Schwere auf sie soll, vernachlässigt werden können. Das eine Ende dieser Feder sei an einem festen Punkte (fester Balken, · Ständer) befestigt, das andere Ende sei mit dem freien Ende eines um sein anderes Ende in vertikaler Ebene drehbaren Hebelarms verbunden, so wie es Fig. 1 zeigt. Die Drehachse des Hebelarms liege zunächst genau vertikal unter dem festen Ende der Schraubenfeder, und zwar im (senkrechten) Abstand L, wobei L zugleich die Länge des drehbaren Hebelarms (gemessen von der Drehachse bis zum Befestigungspunkt der Feder) bedeutet. Der senkrechte Abstand L ist in der Figur durch die unterbrochene Linie bezeichnet. Der Hebelarm sei gleichförmig mit der Masse M1 belegt, α sei der Winkel desselben mit der Vertikalen, X1 die zugehörige Federlänge. Das Lot vom Drehpunkt A des Hebelarms auf die (gedachte)which, as it is easily conceivable and easy to manufacture, pulls itself together completely unencumbered into one level. The mass of the spring and thus also the effect of gravity on it should be negligible. One end of this spring is attached to a fixed point (fixed bar, stand), the other end is connected to the free end of a lever arm that can be rotated about its other end in a vertical plane, as shown in FIG. The axis of rotation of the lever arm is initially exactly vertically below the fixed end of the helical spring, at a (vertical) distance L, where L also means the length of the rotatable lever arm (measured from the axis of rotation to the attachment point of the spring). The vertical distance L is indicated in the figure by the broken line. Let the lever arm be uniformly occupied by the mass M 1 , α be the angle of the same with the vertical, X 1 the associated spring length. The perpendicular from the pivot point A of the lever arm to the (imaginary)
Achse der Schraubenfeder bildet den Winkel —The axis of the helical spring forms the angle -
mit dem Hebelarm, welcher Winkel bei B in der in Fig. 1 gezeichneten Weise wiederkehrt. Die Zugkraft K der Feder sei direkt proportional ihrer Länge, so daßwith the lever arm, which angle recurs at B in the manner shown in FIG. The tensile force K of the spring is directly proportional to its length, so that
wobei k den Proportionalitätsfaktor bedeutet. K sei in Gramm gemessen. X bedeutet die Federlänge in Zentimetern. Es wird behauptet: Wenn der Hebelarm L für irgendeinen Winkel α im Gleichgewicht ist, so ist er für jeden beliebigen Winkel α im Gleichgewicht, d. h. er befindet sich für jede Richtung im indifferenten Gleichgewicht. Beweis: Das Drehmoment der Schwere ist M1 · — · sin α; das ,where k is the proportionality factor. Let K be measured in grams. X means the spring length in centimeters. It is asserted: If the lever arm L is in equilibrium for any angle α, it is in equilibrium for any angle α , ie it is in indifferent equilibrium for every direction. Proof: The torque of gravity is M 1 · - · sin α; the ,
2 DO2 DO
Drehmoment der Federkraft ist:The torque of the spring force is:
— L · k · X1 · cos —;
2- L * k * X 1 * cos -;
2
also ist im Gleichgewicht:so is in equilibrium:
(2) — · M1 -sin α = L · k ■ X1 · cos —(2) - M 1 -sin α = L k ■ X 1 cos -
2 2 2 2
Nun ist noch (3)Now there is still (3)
α X1 α X 1
sin — — = sin - - =
2 2 'L 2 2 'L.
dies folgt aus dem Dreieck, das aus dem Lot vom Drehpunkt A auf die Federachse, der halben Federachse und dem Hebelarm L gebildet wird. Dies in die vorhergehende *Gleichung eingesetzt, ergibtthis follows from the triangle that is formed from the perpendicular from the pivot point A to the spring axis, half the spring axis and the lever arm L. Inserting this into the previous * equation gives
— M1 sm α
2- M 1 sm α
2
Da nunBecause now
2 L* · k' sin— · cos2 L * · k ' sin- · cos
sm a sm a
2 sm2 nm
coscos
ist, so hebt sich α heraus, so daß also die Gleichgewichtsbedingung den Winkel α gar nicht mehr enthält. Was zu beweisen war. Es bleibt nur übrig:is, then α stands out, so that the equilibrium condition no longer contains the angle α. Which was to be proved. All that remains is:
oderor
(4)(4)
M1 M 1
d. h. es ist nur Sorge zu tragen, daß die Masse der Längeneinheit des beliebig langen Hebelarms oder seine Liniendichte 2 h beträgt. k ist leicht zu bestimmen, indem man die Feder senkrecht aufhängt und ihre Länge für irgendein Gewicht bestimmt. Bei Einhaltung von (4) ist dann das System für jeden Winkel α im Gleichgewicht.that is, it is only necessary to ensure that the mass of the unit length of the lever arm of any length or its line density is 2 h. k is easy to determine by hanging the spring vertically and determining its length for any weight. If (4) is observed, the system is then in equilibrium for every angle α.
Hat z. B. bei Benutzung der Feder als gewöhnliche (Jollysche) Federwage die Belastung ι g die Länge 10 cm hervorgerufen, so istHas z. B. when using the spring as an ordinary (Jollysche) spring balance the load ι g caused the length 10 cm, so is
. nach (1) k = —; es muß also die Masse von. according to (1) k = -; so it must be the mass of
ι cm Hebelarm nach (4) 0,2 g betragen, oder, wenn dieser die Länge 20 cm haben soll, muß
er im ganzen 4 g wiegen.
. 2. Das angegebene System ist nun insofern keine Wage, als es in jeder Lage im indiffe- ·
renten Gleichgewicht ist. Eine noch so kleine Belastung, die man z. B. in eine bei B angebrachte
kleine (masselose) Wagschale bringen würde, würde den Hebelarm zur völligen Senkung nach unten bringen.ι cm lever arm according to (4) be 0.2 g, or, if this is to be 20 cm long, it must weigh a total of 4 g.
. 2. The given system is not a balance insofar as it is in indifferent equilibrium in every position. No matter how small a burden, one z. B. would bring in a small (massless) weighing pan attached at B , would bring the lever arm to the complete lowering down.
Man kann nun aber, indem wir immer noch bei der Schraubenfeder mit den vorausgesetzten Eigenschaften bleiben (Masselosigkeit, Länge unbelastet: Null, Kraft direkt proportional der Länge), von dem besprochenen System aus dadurch zu einer empfindlichen Wage gelangen, daß man den festen Punkt der Feder nicht mehr senkrecht über der Drehachse des Hebelarms anbringt,. sondern etwas seitlich verschiebt. Und zwar bleibe für die folgende Rechnung der Abstand des festen Punktes der Feder von der Drehachse A wie früher = L-, die Verbindungslinie sei jedoch gegen die Vertikale um den Winkel d gedreht (Fig. 2). ε sei der Winkel zwischen der gedachten Verbindungslinie und dem Hebelarm; der Winkel zwischen letzterem und der Vertikalen sei wieder α. Der Winkel bei B zwischen der Federachse lind der Normalen auf den Hebelarm ist aus denselben Gründen,However, by still sticking to the helical spring with the presupposed properties (masslessness, length unloaded: zero, force directly proportional to the length), one can get from the discussed system to a sensitive balance by fixing the fixed point of the Spring no longer attaches vertically above the axis of rotation of the lever arm. but shifts something to the side. For the following calculation, the distance between the fixed point of the spring and the axis of rotation A remains as before = L-, but the connecting line is rotated against the vertical by the angle d (Fig. 2). Let ε be the angle between the imaginary connecting line and the lever arm; the angle between the latter and the vertical is again α. The angle at B between the spring axis and the normal to the lever arm is for the same reasons,
wie früher, jetzt —. .as before, now -. .
Im Gleichgewicht ist jetzt:In equilibrium is now:
— · M1 sin α = L · k · λ-, · cos — 2 x l 2- M 1 sin α = L k λ-, cos - 2 xl 2
M1 . . εM 1 . . ε
—- sin α = k · A1 · cos - - sin α = k A 1 cos
2 22 2
Da nun analog (3)Since now analog (3)
sm — =sm - =
2,L2, L
so folgtso follows
X1 = 2 L · sin — j X 1 = 2 L * sin - j
sin α = 2 k · L · sinsin α = 2 k · L · sin
■ cos —■ cos -
= k · L · sin ε= k · L · sin ε
sin ε , T sin (αsin ε, T sin (α
11 ^^
sm α sin a sm α sin a
sin (α — 8) = sin α · cos d —· cos α · sin ιsin (α - 8) = sin α · cos d - · cos α · sin ι
2 k L sin & 2 k L sin &
M1 = 2 k · L · cos 1M 1 = 2 k · L · cos 1
tg αtg α
Nunmehr hebt sich nicht mehr der Neigungswinkel α aus der Gleichgewichtsbedingung heraus, das Gleichgewicht ist nicht mehr indifferent, sondern stabil, da mit einer Zunahme des Winkels α eine Zunahme von M1 verbunden ist.Now the angle of inclination α no longer stands out from the equilibrium condition; the equilibrium is no longer indifferent, but rather stable, since an increase in M 1 is associated with an increase in the angle α.
Für eine andere Masse des Hebelarms gilt, wenn die Länge des Hebelarms dieselbe bleibt:For another mass of the lever arm, if the length of the lever arm remains the same:
„ ,T . 2ÄZsini5", T. 2ÄZsini5
M9 ■-= 2 k L cos δ M 9 ■ - = 2 k L cos δ
tga2 day 2
Indem wir in der vorletzten Gleichung ax für α schreiben und sie vor der letzten abziehen, folgt: By writing a x for α in the penultimate equation and subtracting it before the last one, it follows:
M2 — M1 = 2 UL sin b (-^ —M 2 - M 1 = 2 UL sin b (- ^ -
. I tg-θχ tga2 . I tg-θχ tga 2
Statt die Masse des Hebelarms von M1 auf M2 zu vergrößern, können wir auch an dem beweglichen Ende des Hebelarms von derInstead of increasing the mass of the lever arm from M 1 to M 2 , we can also use the moving end of the lever arm from the
Masse M1 die MasseMass M 1 is the mass
in der Wagschale anbringen. Nennen wir diese Belastung μ, so ist alsoattach in the weighing pan. If we call this load μ, then it is
M.,M.,
- M1 = 2 μ - M 1 = 2 µ
(6) μ = (6) μ =
= U L sin & {— —= UL sin & {- -
\ tg «ι . tg a2 \ tg «ι. day a 2
Die Belastung μ wird also durch den Unterschied der Winkel ax der unbelasteten und a2 der belasteten Wage gemessen.The load μ is measured by the difference between the angles a x of the unloaded and a 2 of the loaded scales.
Als · Empfindlichkeit E dieser Wage können wir den vom Hebelende B zurückgelegten Weg dividiert durch die zugehörige Belastung ansehen. AlsoAs the sensitivity E of this balance, we can consider the path covered by the lever end B divided by the associated load. So
(7)(7)
in> in>
L (a2 L (a 2
wobei α in Bogenmaß gemessen wird.where α is measured in radians.
Besonders einfach wird dieser Ausdruck, wenn wir die Empfindlichkeit für kleine Belastungen Δ JH suchen. Dann folgt aus (6)This expression becomes particularly simple if we have the sensitivity to small loads Find Δ JH. Then it follows from (6)
Δ μ = — kLsin&· A Δ μ = - kLsin & A
,μ, μ
= — k' L · sin & · Δ (ctg α)
k · L ' sin 6 · Δ α= - k 'L sin & Δ (ctg α)
k · L ' sin 6 · Δ α
(8)(8th)
ΑμΑμ
E = J- E = J-
sin4 α
. α sin2 αsin 4 α
. α sin 2 α
ΑμΑμ
k · sin k · sin
Wir nehmen als Beispiel an, daß der Winkel S 2° betragen soll. Die Masse des Hebelarmes sei so, daß α = 45 ° ist. k sei wieder wie im früheren Beispiel des indifferentenWe assume as an example that the angle S should be 2 °. Let the mass of the lever arm be such that α = 45 °. Let k again be as in the earlier example of the indifferent
Systems —. Dann wird E, d. h. das Ver-Systems -. Then E, i.e. the
hältnis des vom Ende des Hebelarms zurückgelegten Bogens zur Belastungratio of the arc covered by the end of the lever arm to the load
10 · sin2 45°
sin 2°10 · sin 2 45 °
sin 2 °
= -143.3.= -143.3.
3^ d. h. ι mg Belastung ruft den Weg 1,433 mm hervor. Würde man dieselbe Feder als gewöhnliche Jollysche Federwage benutzen, so wäre die durch 1 mg hervorgerufene Verlängerung nur 0,1 mm. Eine senkrecht hängende Feder ist also 14 mal weniger empfindlich als unsere Anordnung. Durch Kleinerwählen von δ läßt sich natürlich die Empfindlichkeit noch beliebig vergrößern. Sie ist mit dem Neigungswinkel α in der aus der Gleichung (8) leicht ersichtlichen Weise veränderlich. Für QO0 hat die Empfindlichkeit ihr Maximum. 3 ^ ie ι mg load causes the path 1.433 mm. If one were to use the same spring as an ordinary Jolly spring balance, the extension caused by 1 mg would be only 0.1 mm. A vertically hanging spring is 14 times less sensitive than our arrangement. By making δ smaller, the sensitivity can of course be increased as desired. It is variable with the angle of inclination α in the manner that can be easily seen from equation (8). The sensitivity is at its maximum for QO 0.
3. Wir haben gesehen, wie man durch Verschiebung des Fixpunktes der Feder aus dem zuerst betrachteten theoretischen System eine empfindliche Wage oder natürlich auch- andere Meßvorrichturig machen kann.3. We have seen how, by moving the fixed point of the spring, one can get out of the theoretical systems first considered a sensitive balance or, of course, others Can make measuring device.
Man kann auch den Fixpunkt genau vertikal über der Drehachse lassen und dafür Federn wählen, für welche nicht genau die Zugkraft proportional der Länge ist, also Federn, wie sie praktisch fast allein in Frage kommen. Wir kehren also zur Fig. 1 zurück, nur schreiben wir statt (1) für die Federkraft:You can also leave the fixed point exactly vertically above the axis of rotation and for this Choose springs for which the tensile force is not exactly proportional to the length, i.e. Feathers as practically the only one that comes into question. So we return to Fig. 1, only instead of (1) we write for the spring force:
■60 ■ . K = It-X1 + C-X1 2,■ 60 ■. K = It-X 1 + CX 1 2 ,
wo c eine neue Konstante bedeutet, deren Größe ein Maß für die Abweichung von der strengen Proportionalität zwischen Kraft und Verlängerung ist. Wir behalten also bei, daß die Länge der Feder im unbelasteten Zustande Null ist. Wir schreiben nun:where c means a new constant, the size of which is a measure of the deviation from the strict proportionality between force and elongation. We therefore maintain that the length of the spring in the unloaded state is zero. We now write:
= UX1U +^X1 = UX 1 U + ^ X 1
und die Gleichgewichtsbedingung wird: L
2and the equilibrium condition becomes: L
2
Dieselbe Rechnung wie im ersten Teil, indem wir rechts X1 vor der Klammer durch seinen Wert nach (3) ersetzen, ergibt:The same calculation as in the first part, by replacing X 1 on the right in front of the bracket with its value according to (3), results in:
- M1 sin o. = L k X1 (1 + -=- X1 I cos - M 1 sin o. = L k X 1 (1 + - = - X 1 I cos
! \ R j ! \ R j 22
^X1 L. ^ X 1 L.
Einer bestimmten Masse M1 des Hebelarms entspricht eine bestimmte Länge der Feder X1 und damit nach (3) ein bestimmter Winkel av A certain length of the spring X 1 corresponds to a certain mass M 1 of the lever arm and thus, according to (3), a certain angle a v
Geben wir dem Hebelarm bei gleichen Dimensionen die Masse M2, so gilt:If we give the lever arm the mass M 2 with the same dimensions, the following applies:
Die Subtraktion der vorhergehenden Gleichung ergibt:Subtracting the previous equation gives:
M2- M1 = 2cL(X2 —11). M 2 - M 1 = 2cL (X 2 -1 1 ).
Statt dem Hebelarm die Masse M2 zu geben, können wir auch in der' Mitte des· Hebelarms M1 die Masse M2 — M1 anbringen oder am Ende des Hebelarms in der (masselosen) Wagschale wie früher die BelastungInstead of giving the mass M 2 to the lever arm, we can also attach the mass M 2 - M 1 in the middle of the lever arm M 1 or the load at the end of the lever arm in the (massless) weighing pan, as before
— L == μ. Folglich ist durch Einsetzen- L == μ. Hence is by onset
in die letzte Gleichung:into the last equation:
100 (9) μ= c L (X2 — X1).100 (9) μ = c L (X 2 - X 1 ).
Die Belastung μ ist direkt proportional der Feder Verlängerung X2 — X1. Als »Empfindlichkeit« können wir jetzt das Verhältnis von Verlängerung zu Belastung definieren:The load μ is directly proportional to the spring extension X 2 - X 1 . As »sensitivity« we can now define the relationship between elongation and stress:
E =E =
X,X,
Diese »Empfindlichkeit« ist also um so größer, je kleiner die Abweichung der Proportionaliät von Kraft und Verlängerung, d. h. je kleiner c ist. Außerdem ist sie umgekehrt proportional der Länge des Hebelarms.This "sensitivity" is the greater, the smaller the deviation of the proportionality of strength and elongation, d. H. the smaller c is. It is also inversely proportional the length of the lever arm.
Ein Vergleich mit der Empfindlichkeit der gleichen senkrecht frei hängenden Feder (Jolly- 1!5 sehe Federwage) ist von Interesse. Die Federgleichung lautete:A comparison with the sensitivity of the same vertically freely hanging spring (Jolly- 1! 5 see spring balance) is of interest. The spring equation was:
K — A-X1+ C-X1 2. K - AX 1 + CX 1 2 .
Hieraus folgt:It follows from this:
ΔΧΔΧ
AKAK
k + 2 c λ k + 2 c λ
k betrage wie in unseren früheren Beispielen Let k be as in our earlier examples
—■, c Sei —?—. Bei frei hängender Feder io . 3600 b - ■, c Let - ? -. With freely hanging spring ok. 3600 b
beträgt die Empfindlichkeit für dieis the sensitivity for the
Δ I\. Δ I \.
Länge Null 10, für die Länge X1= 20 cm 9.Length zero 10, for length X 1 = 20 cm 9.
Dagegen ist die Empfindlichkeit in der obenIn contrast, the sensitivity is in the above
beschriebenen Anordnung, wenn die Länge des Hebelarms wie früher zu 20 cm gewählt wird, für jede Federlängedescribed arrangement, if the length of the lever arm is chosen to be 20 cm as before, for every spring length
ι 3600ι 3600
cLcL
= 180,= 180,
also 20 mal größer als bei der hängendenso 20 times larger than the hanging one
Feder.Feather.
Definieren wir als Empfindlichkeit wie früher in Gleichung (7) den vom Hebelende zurückgelegten Weg (Bogen, der an einer Kreisskala abgelesen werden kann) dividiert durch die zugehörige Belastung, alsoLet us define the sensitivity covered by the end of the lever as earlier in equation (7) Distance (arc that can be read on a circular scale) divided by the associated load, i.e.
so setzen wir zu dem Zweck zunächst in (9) für λ nach (3) den Wert 2 L · sin — ein und erhalten for this purpose we first insert the value 2 L · sin - in (9) for λ according to (3) and obtain
smsm
— sin- sin
β \ 2 2β \ 2 2
Für kleine Belastungen Δ μ schreiben wir:For small loads Δ μ we write:
= 2 C L2 · Δ sm — = C L2 cos — 22= 2 CL 2 · Δ sm - = CL 2 cos - 22
Δα.Δα.
Die Empfindlichkeit, gemessen wie in (7), wird:The sensitivity, measured as in (7), will be:
L-AaL-Aa
C · COS C · COS
Diese Empfindlichkeit ist also noch größer und hat ihr Maximum mit Annäherung an a = i8o°, also für senkrecht hängenden Hebelarm. This sensitivity is therefore even greater and has its maximum as it approaches a = i8o °, i.e. for a vertically hanging lever arm.
Wir könnten nun noch in Rechnung ziehen, daß die Feder selbst nicht masselos ist, sondern einen Druck vermöge ihres Gewichts im Punkt B auf den Hebelarm ausübt. Ebenso, daß man gewöhnlich Federn verwenden wird, deren Länge im unbelasteten Zustand nicht Null, sondern eine gewisse endliche Größe ist. Diese Formeln sollen hier nicht angegeben werden, da an dem Prinzip und der Ausführbarkeit der Wage hierdurch nichts geändert wird.We could now take into account that the spring itself is not massless, but exerts a pressure on the lever arm at point B by virtue of its weight. It is also the case that springs are usually used, the length of which in the unloaded state is not zero, but a certain finite size. These formulas should not be given here, as this does not change the principle and the feasibility of the balance.
II. Theorie der neuen Torsionswage.II. Theory of the new torsion balance.
Die neue Torsionswage schließt sich unmittelbar an die beschriebene Spiralfederwage an. Man denke sich in Fig. 1 die Schraubenfeder fort, dafür aber in der Drehachse A selbst eine Torsionskraft angebracht, welche den Hebelarm L entgegengesetzt dem Uhrzeiger zu drehen sucht. Dies kann in folgender Weise ausgeführt werden, wobei wir auf die (im Gegensatz zu Fig. 1 und 2 perspektivisch gezeichnete) Fig. 3 kommen: Ein horizontaler, gestreckter Draht ist mit seinen Enden in zwei festen Punkten so eingeklemmt, daß die Enden des Drahtes in der Befestigung nicht drehbar sind. Auf diesem Draht, etwa in seiner Mitte, ist der Hebelarm L aufgelötet, und zwar unter dem Winkel γ gegen die Vertikale. Nun werde der Hebelarm durch die Vertikale hindurchgedreht, bis sein Drehmoment der Schwere, das ihn von selbst weiter zu drehen sucht, mit dem entgegengesetzt wirkenden Drillungsmoment des horizontalen Achsendrahts ins Gleichgewicht kommt. Der Winkel des Hebelarms mit der (nach oben konstruierten) Vertikalen in der Gleichgewichtslage sei a. Für das Torsionsmoment, das wir T nennen, wollen wir die Annahme einführen (die in weiten Grenzen der Wirklichkeit entspricht), daß dasselbe proportional dem Drillungswinkel des Drahtes, also proportional α -f- γ ist, wobei wir für die folgende Rechnung die Winkel im Bogenmaß messen. (γ ist positiv gerechnet, wenn es, wie in der Fig. 3, auf der anderen Seite der Vertikalen als α liegt.) Es ist alsoThe new torsion balance is directly connected to the spiral spring balance described. Imagine the helical spring in Fig. 1, but a torsional force is applied in the axis of rotation A itself, which tries to turn the lever arm L counterclockwise. This can be carried out in the following way, coming to Fig. 3 (in contrast to Fig. 1 and 2 drawn in perspective): A horizontal, stretched wire is clamped with its ends in two fixed points so that the ends of the wire are not rotatable in the attachment. The lever arm L is soldered to this wire, approximately in its middle, at an angle γ to the vertical. Now the lever arm is turned through the vertical until its torque of gravity, which tries to turn it further by itself, comes into equilibrium with the torsional torque of the horizontal axis wire acting in the opposite direction. The angle of the lever arm with the vertical (constructed upwards) in the equilibrium position is a. For the torsional moment, which we call T , we want to introduce the assumption (which corresponds to reality within wide limits) that it is proportional to the twist angle of the wire, i.e. proportional to α -f- γ , where we use the angles im for the following calculation Measure radians. (γ is calculated as positive if, as in FIG. 3, it is on the other side of the vertical than α.) So it is
(10) T = k (α 4- y), (10) T = k (α 4- y),
wo k der Proportionalitätsfaktor ist, der von der Länge, Dicke und dem Material des horizontalen Drahtes abhängt. Im Gleichgewicht ist dannwhere k is the proportionality factor which depends on the length, thickness and material of the horizontal wire. Then is in equilibrium
LMLM
(11) k (α -f γ) = sin α.(11) k (α -f γ) = sin α.
22
L und M1 haben die früheren Bedeutungen. Wir können nun bei der Form der Gleichung (11) nicht erreichen, daß bei geeignet gewählten k, L und M1 das Gleichgewicht ein indifferentes wird, d. h. unabhängig von α wird, was wir bei dem zuerst betrachteten Idealfall der Schraubenfederwage erreichen konnten. Dagegen können wir mit Erfolg verlangen, daß in der nächsten Umgebung eines bestimmten Winkels a, sagen wir für den Winkel a -j- Δ a (wo Δ" a eine sehr kleine Größe ist), außer für den Winkel a noch Gleichgewicht herrscht bei ungeändertem M1. Wir verlangen also, daß L and M 1 have the earlier meanings. With the form of equation (11), we cannot achieve that with suitably chosen k, L and M 1 the equilibrium becomes indifferent, that is, becomes independent of α, which we were able to achieve in the ideal case of the helical spring balance considered first. On the other hand, we can successfully demand that in the immediate vicinity of a certain angle a, say for the angle a -j- Δ a (where Δ "a is a very small quantity), except for the angle a, there is still equilibrium if the angle is unchanged M 1. So we demand that
Aa.+.y)Aa. +. Y)
LMi ■ ,
sm (α LM i ■,
sm (α
α).α).
Da nunBecause now
sin (a + Δ α) = siri α · cos Δα-f cos α · sin Δ α und, da Δ a klein ist,sin (a + Δ α) = siri α · cos Δα-f cos α · sin Δ α and, since Δ a is small,
cos Δ α = ι, sin Δ a = Δ αcos Δ α = ι, sin Δ a = Δ α
(v/enn der Winkel, wie vorausgesetzt, im Bogenmaß gemessen ist), so folgt aus (12) (v / if the angle, as assumed, is measured in radians), it follows from (12)
k (α + γ) + k - A α k (α + γ) + k - A α
LM1 : ,LM1 LM 1 :, LM 1
= sm α H cos α · Δ α = sm α H cos α · Δ α
2 22 2
und durch Subtraktion von (11) und nachherige Division durch Δ αand by subtracting (11) and after Division by Δ α
ίο (13)ίο (13)
L-M1 LM 1
= cos a, = cos a,
woraus sich bei gegebenem Material und Dimensionen der für die maximale (unendliche) Empfindlichkeit bei kleinen Ausschlägen einzuhaltende Winkel α berechnet.from which, given the material and dimensions, the maximum (infinite) Sensitivity for small deflections, angles α to be observed are calculated.
Durch Einsetzen von (13) in (11) ergibt sich dann ferner der Winkel gegen die Vertikale, unter dem der Hebelarm zu diesem Zweck auf den nicht tordierten Draht aufzulöten ist, zu:Substituting (13) into (11) gives then furthermore the angle to the vertical at which the lever arm to this The purpose of soldering onto the untwisted wire is to:
(14)(14)
γ = tg α ■ γ = tg α ■
■ a.■ a.
Beispielsweise sei α = 30° oder im Bogenmaß 0,5236. Dann beträgtFor example, let α = 30 ° or in radians 0.5236. Then amounts to
7 -7 -
30° — 0,5236 = 0,053830 ° - 0.5236 = 0.0538
im Bogenmaß oder 3,082°. Statt unter diesem Winkel aufzulöten, kann man natürlich auch den Hebelarm unter einem beliebigen Winkel am Achsendraht befestigen, wenn man nur dafür sorgt, daß die Befestigungspunkte des letzteren gleichmäßig gedreht werden können.in radians or 3.082 °. Instead of soldering at this angle, you can of course also attach the lever arm to the axle wire at any angle if one only ensures that the attachment points of the latter are rotated evenly can.
Als Empfindlichkeit E definieren wir fernerWe also define E as sensitivity
35· den Quotienten aus der Zunahme des Winkels α zur Zunahme Δ M1 des Gewichts Af1 des Hebelarms, wobei wir uns auch das Gewicht Δ M1 in der Mitte des ungeänderten Hebelarms M1 angehängt denken können.35 x the quotient of the increase in the angle α to the increase Δ M 1 Af of the weight of the lever arm 1, whereby we can think attached 1 us the weight Δ M 1 in the middle of the lever arm M unchanged.
ΔαΔα
Aus (11) erhalten wirFrom (11) we get
M1 =M 1 =
L · sin α L · sin α
Δ M1 Δ M 1
' Δα ' Δα
E =E =
2k2k
Δα
AM1 Δα
ON 1
[ι (α + ψ)' cos α ][ι (α + ψ) ' cos α]
sin α sin2 α . Jsin α sin 2 α. J
L· sin α L · sin α
2k I 2k I
ΰ- ΰ -
+ +
y\ y \
te* } te * }
Die Empfindlichkeit wird hiernach wieder unendlich für α'-\- γ = tg α, wie es auch nach (14) der Fall sein muß. ' .The sensitivity then becomes infinite again for α '- \ - γ = tg α, as it must also be the case according to (14). '.
Nun vergleichen wir noch Z? mit der Empfindlichkeit E' einer gewöhnlichen (bisherigen) Torsionswage, die denselben Torsionsdraht habe. Eine solche erhalten wir z. B., wenn in Fig. 3 der Hebelarm L nur die eine Hälfte eines symmetrischen zweiarmigen geraden Wagebalkens ist,' dessen zweite Hälfte sich nach der anderen Seite des Drehpunkts erstreckt. Wenn wir uns den Hebelarm L so ergänzt denken, fällt der Schwerpunkt in den Torsionsdraht; es tritt also kein Moment der Schwere um letzteren auf, was von dem Wagebalken selbst (nicht von dem angehängten Gewicht) herrührt. Der unbelastete Wagebalken ist daher für jeden Auflötungswinkel α im Gleichgewicht, ohne daß weitere Drehung vorher erfolgt.Now let's compare Z? with the sensitivity E 'of an ordinary (previous) torsion balance that has the same torsion wire. We receive such a B., if in Fig. 3 the lever arm L is only one half of a symmetrical two-armed straight balance beam, 'the second half of which extends to the other side of the pivot point. If we think of the lever arm L as being supplemented in this way, the center of gravity falls into the torsion wire; So there is no moment of gravity around the latter, which comes from the balance beam itself (not from the attached weight). The unloaded balance beam is therefore in equilibrium for every soldering angle α without further rotation taking place beforehand.
Bei Belastung mit Δ M2 in der Mitte von L tritt jetzt erst ein rücktreibendes Torsionsmoment Δ T auf, das gleich istIf the load is Δ M 2 in the middle of L , then only a restoring torsional moment Δ T occurs, which is the same
AT= k- Δα. AT = k- Δα.
Das entgegengesetzt wirkende Moment der Schwere beträgtThe opposite acting moment of gravity is
sin (α + Δ α) · Δ M1 sin (α + Δ α) · Δ M 1
oder, da Δ α klein ist,
L or, since Δ α is small,
L.
sin α· Δ M1. sin α · Δ M 1 .
Es ist also:So it is:
k · Δ α = —- sin α · Δ M1 k · Δ α = - sin α · Δ M 1
Δα
= ~ΑΜ[ = Δα
= ~ ΑΜ [ =
L sin α
2k L sin α
2k
Wir nehmen den günstigsten Fall, daß der zweiarmige Wagebalken horizontal liegt, d. h. daß sin α = ι, und nennen dann die Empfindlichkeit E". Also ist:We take the best case that the two-armed balance beam is horizontal, ie that sin α = ι, and then call the sensitivity E ". So:
sm αsm α
E'E '
ι — ι -
tgatga
Nach Maßgabe dieser Gleichung ist die Empfindlichkeit unserer mit Hilfe der Schwere astasierten Wage größer als die der gewöhnliehen Torsionswage.According to this equation, the sensitivity is ours with the help of gravity astased balance larger than that of the usual torsion balance.
Z. B. war für γ = 3,082° unsere Wage für α =. 30° unendlich empfindlich. Für α = 35° ist dann nach der letzten Gleichung die Empfindlichkeit (für kleine Belastungen) noch 11,29mal größer, bei 40° noch 6,187mal größer als bei der reinen Torsionswage.For example, for γ = 3.082 ° our balance was for α =. 30 ° infinitely sensitive. For α = 35 °, according to the last equation, the sensitivity (for small loads) is 11.29 times greater, at 40 ° it is 6.187 times greater than with the pure torsion balance.
III. Anwendungsgebiete der neuen
Spiral- und Torsionsfederwage.III. Areas of application of the new
Spiral and torsion spring balances.
Der Haupt Vorzug der beschriebenen Anordnungen besteht darin, daß beliebig kräftige Schraubenfedern bzw. Torsionsdrähte verwendet werden können und dabei doch hohe Empfindlichkeit der Federwage erreicht wird.The main advantage of the arrangements described is that they are arbitrarily powerful Helical springs or torsion wires can be used and still have high sensitivity the spring balance is reached.
Die Anwendungsfähigkeit ist eine sehr mannigfache, z.B.: Empfindliche Wage fürThe applicability is very diverse, e.g .: sensitive scales for
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE217012C true DE217012C (en) |
Family
ID=478362
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DENDAT217012D Active DE217012C (en) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE217012C (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE977058C (en) * | 1952-02-26 | 1964-12-23 | Continental Elektro Ind Ag | Electric moving coil measuring mechanism |
-
0
- DE DENDAT217012D patent/DE217012C/de active Active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE977058C (en) * | 1952-02-26 | 1964-12-23 | Continental Elektro Ind Ag | Electric moving coil measuring mechanism |
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