Đo lực là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm đo lực

Đo lực là quá trình định lượng cường độ tương tác cơ học giữa hai vật thể hoặc hệ vật lý. Lực có thể gây ra gia tốc, biến dạng hoặc thay đổi trạng thái cân bằng của một vật. Trong đo lường kỹ thuật, lực thường được biểu thị bằng đơn vị Newton (N) thuộc hệ đơn vị quốc tế SI.

Lực là đại lượng vectơ, tức là nó có cả độ lớn và hướng. Vì vậy, đo lực không chỉ là đo giá trị tuyệt đối mà còn liên quan đến vị trí, phương và chiều tác động. Việc đo đúng lực giúp đánh giá chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động, biến dạng vật liệu, và phản ứng của hệ cơ học.

Công thức cơ bản tính lực theo định luật II Newton là:

$F = m \cdot a$

Trong đó:

• F: lực (N – Newton)
• m: khối lượng (kg)
• a: gia tốc (m/s²)

Lực được xem là một trong các đại lượng cơ bản trong cơ học cổ điển và là nền tảng cho mọi phân tích động học và tĩnh học.

Phân loại lực trong đo lường

Trong kỹ thuật đo, lực được phân chia dựa trên hướng tác động, bản chất và ứng dụng. Việc phân loại này có ý nghĩa quan trọng để xác định loại cảm biến hoặc hệ thống đo phù hợp. Các lực phổ biến có thể được chia thành:

• Lực kéo (tension): lực làm giãn vật thể theo trục
• Lực nén (compression): lực làm co vật thể theo trục
• Lực xoắn (torque/moment): lực gây quay quanh trục
• Lực ma sát (friction): lực cản trở chuyển động giữa hai bề mặt tiếp xúc
• Lực va chạm (impact): lực sinh ra trong thời gian rất ngắn khi hai vật va chạm

Mỗi loại lực trên đều có đặc điểm và ứng dụng khác nhau trong thực tế đo lường. Ví dụ, lực nén thường gặp trong kiểm tra kết cấu bê tông, còn lực kéo được đo trong kiểm tra độ bền dây cáp, vật liệu sợi hoặc liên kết ren.

Bảng phân biệt đặc điểm các loại lực:

Loại lực	Hướng tác động	Ví dụ ứng dụng
Lực kéo	Dọc trục, hướng ra xa	Kiểm tra độ bền vải, dây điện
Lực nén	Dọc trục, hướng vào trong	Thử chịu lực cột trụ, vật liệu xây dựng
Lực xoắn	Quay quanh trục	Đo mô-men vít, động cơ
Lực va chạm	Ngắn hạn, cường độ cao	Kiểm tra an toàn xe hơi

Các đơn vị đo lực

Đơn vị chuẩn để đo lực trong hệ SI là Newton (N), được định nghĩa là lực cần thiết để tạo gia tốc 1 m/s² cho vật có khối lượng 1 kg. Tuy nhiên, trong các ngành công nghiệp truyền thống hoặc trong một số quốc gia, người ta vẫn sử dụng các đơn vị khác như kilogram-force (kgf), pound-force (lbf) hoặc dyne.

Một số đơn vị đo lực thường gặp:

• 1 N = 1 kg·m/s²
• 1 kgf ≈ 9.80665 N
• 1 lbf ≈ 4.44822 N
• 1 dyne = 10^-5 N

Việc chuyển đổi giữa các đơn vị này cần chính xác, đặc biệt trong thiết kế máy móc hoặc kiểm tra kỹ thuật có liên quan đến quy chuẩn quốc tế. Dưới đây là bảng chuyển đổi nhanh:

Đơn vị	Tương đương Newton
1 kgf	9.80665 N
1 lbf	4.44822 N
1 dyne	0.00001 N

Các phương pháp đo lực phổ biến

Việc đo lực có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, tùy vào dạng lực, độ lớn, tốc độ thay đổi và môi trường đo. Các phương pháp phổ biến gồm:

• Đo biến dạng bằng cảm biến strain gauge
• Đo điện áp trong load cell
• Đo áp suất và chuyển đổi sang lực
• Đo gia tốc để suy ra lực quán tính

Strain gauge là công nghệ phổ biến trong cảm biến lực, hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở khi vật liệu bị biến dạng. Các strain gauge thường được gắn trên phần tử đàn hồi, khi chịu lực sẽ kéo giãn hoặc nén, làm thay đổi điện trở – từ đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Load cell là thiết bị đo lực sử dụng strain gauge hoặc các nguyên lý khác như piezoelectric hoặc cảm biến từ. Loại load cell được dùng phổ biến trong công nghiệp là loại sử dụng cấu trúc kim loại đàn hồi kết hợp với bốn strain gauge tạo thành cầu Wheatstone để khuếch đại tín hiệu điện.

Ngoài ra, các phương pháp như cảm biến quang học, cảm biến điện dung và cảm biến từ giảo (magnetostrictive) cũng đang được sử dụng trong các ứng dụng đo lực có độ chính xác cao hoặc trong môi trường khắc nghiệt.

Cảm biến lực (Force sensor)

Cảm biến lực là thiết bị chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện tử để đo lường và giám sát. Tùy vào nguyên lý hoạt động, các cảm biến lực được chia thành nhiều loại như strain gauge, piezoelectric, điện dung (capacitive), điện từ (inductive), hoặc quang học. Mỗi loại có đặc điểm riêng về dải đo, độ nhạy, tốc độ đáp ứng và khả năng chống nhiễu.

Loại phổ biến nhất là load cell sử dụng strain gauge. Strain gauge là một dây dẫn mỏng có điện trở thay đổi khi bị kéo giãn hoặc nén. Khi gắn strain gauge lên một phần tử đàn hồi, sự biến dạng do lực tác động sẽ thay đổi điện trở của nó, từ đó tạo ra tín hiệu điện tỉ lệ với lực.

Một số loại cảm biến lực thường dùng:

• Strain gauge load cell: độ chính xác cao, dùng trong cân điện tử, máy thử lực
• Piezoelectric sensor: phản ứng rất nhanh, thích hợp cho đo lực động hoặc va chạm
• Capacitive sensor: nhạy với lực nhỏ, thường dùng trong thiết bị y tế
• Optical sensor: đo chính xác cao trong môi trường cách ly hoặc nhạy cảm

Bảng so sánh một số cảm biến lực:

Loại cảm biến	Ưu điểm	Hạn chế
Strain gauge	Độ chính xác cao, giá thành hợp lý	Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
Piezoelectric	Phản hồi nhanh, lý tưởng cho lực dao động	Không phù hợp cho đo lực tĩnh
Capacitive	Nhạy, tiêu thụ điện thấp	Dễ bị nhiễu từ môi trường

Hiệu chuẩn và sai số đo lực

Hiệu chuẩn là quá trình so sánh thiết bị đo với một chuẩn tham chiếu đã biết, nhằm đảm bảo sai số trong phạm vi cho phép. Việc hiệu chuẩn cảm biến lực là bắt buộc trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như kiểm định vật liệu, giám sát công nghiệp, và cân thương mại.

Các yếu tố chính gây sai số trong đo lực:

• Biến thiên nhiệt độ môi trường
• Quá tải cơ học vượt dải đo cho phép
• Độ trễ tín hiệu do vật liệu đàn hồi
• Gắn lệch trục hoặc nền không ổn định

Công thức cơ bản để xác định sai số tuyệt đối:

$\Delta F = F_{\text{measured}} - F_{\text{true}}$

Ngoài ra, tổ chức quốc tế như BIPM và NIST đưa ra các tiêu chuẩn và phương pháp hiệu chuẩn lực chuẩn mực, thường dùng làm cơ sở xây dựng hệ thống đo chính xác quốc gia.

Ứng dụng của đo lực trong công nghiệp và nghiên cứu

Đo lực được ứng dụng đa ngành, từ kỹ thuật cơ khí, sản xuất tự động, đến lĩnh vực y tế và khoa học vật liệu. Trong thử nghiệm cơ lý vật liệu, đo lực giúp xác định các đặc tính như giới hạn bền, độ dẻo, độ cứng, khả năng chịu nén hoặc kéo.

Trong công nghiệp:

• Giám sát lực kẹp trong máy CNC
• Kiểm tra lực vít trong lắp ráp điện tử
• Đo trọng lượng trong dây chuyền đóng gói

Trong y sinh:

• Đo lực cắn, lực cơ tay
• Đo phản hồi lực trong thiết bị chỉnh hình
• Phản hồi xúc giác trong robot phẫu thuật

Các tiêu chuẩn đo lực trong thử nghiệm vật liệu có thể tham khảo từ ASTM International hoặc ISO TC164.

Đo lực trong robot và hệ thống điều khiển

Trong lĩnh vực robot, cảm biến lực được tích hợp để cung cấp phản hồi giúp robot nhận biết và điều chỉnh lực tác động khi thao tác. Ví dụ, khi robot gắp một vật, cảm biến lực sẽ đo lực tiếp xúc để tránh làm vỡ hoặc trượt vật.

Các dạng tích hợp phổ biến:

• Cảm biến mô-men ở khớp (joint torque sensor)
• Cảm biến 6 trục tại đầu công cụ (force/torque sensor)
• Cảm biến xúc giác mềm (tactile sensors)

Đo lực trong robot cũng được kết hợp với học máy và AI để giúp robot thích nghi với các vật thể không xác định trước, tăng khả năng hoạt động trong môi trường phức tạp. Tham khảo thêm tại IEEE Xplore cho các nghiên cứu cập nhật trong lĩnh vực này.

Xu hướng và công nghệ mới trong đo lực

Công nghệ đo lực đang hướng tới sự nhỏ gọn, tích hợp và thông minh hơn. Nhiều thiết bị cảm biến lực hiện nay được tích hợp vào các hệ thống không dây, thiết bị đeo, robot mềm và y sinh học.

Một số xu hướng nổi bật:

• Cảm biến lực in 3D trên vật liệu dẻo (flexible printed sensors)
• Đo lực vi mô trong nghiên cứu tế bào
• MEMS-based force sensors dùng cho các thiết bị IoT
• Tích hợp cảm biến vào chip (System-on-Chip)

Sự phát triển của vật liệu thông minh và công nghệ nano cũng đang mở ra khả năng chế tạo cảm biến lực cực kỳ nhỏ, hoạt động chính xác trong môi trường vi mô như y học tái tạo hoặc robot sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. National Institute of Standards and Technology (NIST). Force Measurements. https://www.nist.gov/calibrations/force-measurements
2. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). SI base units. https://www.bipm.org/en/measurement-units/si-base-units
3. ASTM International. Testing Standards. https://www.astm.org/
4. ISO Technical Committee TC164. Mechanical testing of metals. https://www.iso.org/committee/54058.html
5. IEEE Xplore Digital Library. Robotics and Sensors. https://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp