力的概念、单位及其复现
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第247页（2656字）
1．力的概念和分类
力是物质之间的相互作用。要完全确定一个力，就必须知道它的大小、方向和作用点，这是力的“三要素”。力值就是力的大小。
按照相互作用的发生方式来分类，宇宙中目前存在四种力(引力、电磁力、弱作用力、强作用力)，以及可能存在的超电荷力。在这些力中，引力是物体间由于引力质量而具有的相互作用力，又称万有引力。电磁力是带物体之间、磁铁或通电导线之间相互作用力的统称；固体内部的应力、接触力、弹性力、摩擦力、粘滞力等，都是物体原子和分子间电磁作用力的宏观表现。弱作用和强作用发生于原子核内部的质子、中子及其它基本粒子之间，又统称为核力。超电荷力使不同结构的物体可能产生稍为不同的下落加速度，又称为第五种力。
按照函数的分类方法，力分为四种：①力等于常数，如一定地点和高度的重力；②力是时间的函数，如冲击力；③力是距离的函数，如引力；④力是速度的函数，如粘滞力。
按照测量范围分类，在实际应用中，通常有微小力值(10N以下)、中小力值(10N～1MN)及大力值(1MN以上)。
按照随时间变化的特性分类，有静态力和动态力。静态力的施加速度相当缓慢平稳，达到目标力值后便保持不变或变动极不显着。动态力可分为力随时间周期变化(重复力与交变力)、突然变化(冲击力)及随机变化(随机力)等。
目前，在工程计量中习惯上把由力值导出的扭矩、转矩、机械功率等，也归入力值计量的范畴。
2．力的单位及其换算
在SI和我国法定计量单位中，力的计量单位是牛〔顿〕(N)。1N是使1kg质量的物体产生1m／s2加速度的力。使1g(或1t)质量的物体产生1cm／s2(或1m／s2)加速度的力，曾叫做1达因(或1斯坦)。达因(dyn)在物理上、斯坦(sn)在工业上曾有所应用，目前已经废除，而以牛顿的分数单位微牛(μN)、倍数单位千牛(kN)代之。由于历史上和国外交流上的原因，在有些场合仍沿用一些非法定的力值计量单位，如原工程单位制的kgf、tf，德制的kp、Mp，英制的1bf等，它们与法定单位N的换算关系为：
1kgf=1kp=9．80665N
1tf=1Mp=9806．65N
1lbf=4．4483N
3．力值的复现和测量原理
力的本质是物体之间的相互作用。这种作用在宏观上可以改变物体的机械运动状态或所具有的动量，使物体产生加速度，这是力的动力效应或外效应；也可以使物体产生变形，在物体中产生应力和应变，这是力的静力效应或内部效应。实际上，在物体受力的作用时，这两种效应常常是同时发生的。力值单位的复现、传递及力值测量的原理与方法，通常可归纳为利用力的动力效应和静力效应。
动力效应使物体产生加速度，根据牛顿第二定律，确定了物体的质量m及其所获得的加速度a，即可求得力值F：
F=ma (5．3－1)
显然，利用地球重力场中已知的当地重力加速度g是很方便的，此时力值测量就归结为质量测量。例如：静重式力标准机就是利用已知质量的砝码，在已知重力场中产生的重力来复现力值的。杠杆式或液压式力标准机则是利用杠杆或液压系统，对此重力进行放大来复现或传递较大的力值或大力值的。有些材料试验机的测力机构，使试样所受的未知力缩小后，跟已知游铊或摆锤的重力相平衡，利用的也是动力效应。实际上，它们都是一些产生力值的装置，即力的发生(机)器。
静力效应使物体产生变形，利用物体的某种特性与变形之间的对应关系或某种效应来确定或传递力值。例如，对于刚度为k的弹性环状测力仪，利用胡克定律，确定了变形量Δx，即可求得力值F：
F=kΔx (5．3－2)
电阻应变式测力仪利用金属导线电阻的应变效应，将被测力值转换为电阻的相对变化。压阻式测力仪利用半导体的压阻效应，将被测力值转换为电阻率的相对变化。压磁式测力仪利用铁磁材料的压磁效应，将被测力值转换为输出感应电势的变化。压电式测力仪利用压电效应，将被测力值转换为输出电荷的变化。振弦式测力仪利用张紧的振弦的固有频率与其张力间的关系，将被测力值转换为输出频率的变化。陀螺式测力仪利用三自由度陀螺的二次进动角速度与外力成正比的原理，将被测力值直接转换为数字信号输出。材料试验机中的弹簧、压力表、扭力棒及电子传感器等测力机构，利用的也是静力效应。实际上，它们都是一些接受力值的装置，即力的接受和指示(仪)器。
【参考文献】：
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