Весы или весы — это устройство, используемое для измерения веса или массы . Они также известны как весы , весы , весы и весы .
Традиционные весы состоят из двух тарелок или чаш, подвешенных на равных расстояниях от точки опоры . Одна пластина удерживает объект неизвестной массы (или веса ), в то время как объекты известной массы или веса, называемые гирями , добавляются к другой пластине до тех пор, пока не будет достигнуто статическое равновесие и пластины не выровняются, что происходит, когда массы на двух пластинах равны. Идеальная шкала находится на нейтральном уровне. Пружинные весы используют пружину известной жесткости для определения массы (или веса). Подвешивание определенной массы приведет к удлинению пружины на определенную величину в зависимости от жесткости пружины (или жесткости пружины ). Чем тяжелее предмет, тем сильнее растягивается пружина, как это описано в законе Гука . Существуют и другие типы весов, использующие другие физические принципы.
Некоторые весы можно откалибровать для считывания в единицах силы (веса), таких как ньютоны, вместо единиц массы, таких как килограммы . Весы и весы широко используются в торговле, так как многие товары продаются и упаковываются массово.
Весы — настолько простое устройство, что их использование, вероятно, появилось намного раньше, чем появились доказательства. Что позволило археологам связать артефакты с весами, так это камни для определения абсолютной массы. Сами весы, вероятно, использовались для определения относительной массы задолго до абсолютной массы. [1]
Самое старое засвидетельствованное свидетельство существования весов датируется Четвертой династией Египта , при этом были раскопаны балансиры Дебена (единичные) времен правления Снеферу (ок. 2600 г. до н.э.), хотя предлагалось использовать их и раньше. [2] Были обнаружены резные камни со знаками, обозначающими массу, и египетским иероглифическим символом золота, что позволяет предположить, что египетские купцы использовали установленную систему измерения массы для каталогизации поставок золота или добычи золотых рудников. Хотя никаких весов той эпохи не сохранилось, многие наборы камней для взвешивания, а также фрески, изображающие использование весов, предполагают широкое их использование. [3]
Примеры, датируемые ок. 2400–1800 гг. до н. э ., также были найдены в долине реки Инд . Однородные полированные каменные кубы, обнаруженные в ранних поселениях, вероятно, использовались в качестве камней для установки весов. Хотя на кубиках нет маркировки, их массы кратны общему знаменателю. Кубики состоят из множества разных видов камней разной плотности. Очевидно, что решающим фактором при создании этих кубов была их масса, а не размер или другие характеристики. [3]
В Китае самые ранние раскопанные весы находились в гробнице государства Чу периода Воюющих царств Китая , относящейся к III-IV векам до нашей эры, на горе Цзоцзягун недалеко от Чанши , провинция Хунань. Балансы были сделаны из дерева и использовали бронзовые массы. [4] [5]
Вариации весовой шкалы, в том числе такие устройства, как дешевый и неточный бисмар (неравноплечие весы) [6] , начали широко использоваться ок. 400 г. до н.э. многими мелкими торговцами и их покупателями. На протяжении всей истории человечества появлялось множество разновидностей чешуи, каждая из которых имела преимущества и улучшения друг перед другом, и такие великие изобретатели, как Леонардо да Винчи, лично приложили руку к их разработке. [7]
Даже несмотря на все достижения в проектировании и разработке весов, все весы до семнадцатого века нашей эры представляли собой вариации весов. Стандартизация используемых весов – и обеспечение того, чтобы торговцы использовали правильные веса – были серьезной заботой правительств на протяжении всего этого времени.
Первоначальная форма весов представляла собой балку с точкой опоры в центре. Для обеспечения максимальной точности точка опоры должна состоять из острого V-образного шарнира, установленного в более мелком V-образном подшипнике. Для определения массы объекта на одном конце балки подвешивалась комбинация эталонных масс, а на другом конце подвешивался объект неизвестной массы (см. Весы и безменные весы ). Для высокоточных работ, таких как эмпирическая химия, весы с центральным лучом по-прежнему остаются одной из наиболее точных доступных технологий и обычно используются для калибровки тестовых масс.
Однако бронзовые фрагменты, обнаруженные в центральной Германии и Италии, использовались в бронзовом веке в качестве ранней формы валюты. [8] В тот же период торговцы использовали стандартные гири эквивалентной стоимости от 8 до 10,5 граммов от Великобритании до Месопотамии. [9]
Весы (также весы , лучевые весы и лабораторные весы ) были первым изобретенным прибором для измерения массы. [1] В своей традиционной форме он состоит из поворотного горизонтального рычага с плечами одинаковой длины – балки – и чаши для взвешивания [10] , подвешенной к каждому рычагу (отсюда и множественное название « весы » для весов). Неизвестную массу помещают в одну чашку, а в другую чашку добавляют стандартные массы до тех пор, пока балка не приблизится к равновесию настолько , насколько это возможно. В прецизионных весах более точное определение массы дает положение скользящей массы, перемещаемой по градуированной шкале.
В отличие от пружинных весов, весы используются для точного измерения массы, поскольку на их точность не влияют изменения местного гравитационного поля. (На Земле, например, они могут составлять ±0,5% между точками. [11] ) Изменение силы гравитационного поля, вызванное перемещением весов, не меняет измеренную массу, поскольку моменты силы с обеих сторон луча воздействуют одинаково. Весы обеспечат точное измерение массы в любом месте, испытывающем постоянную силу тяжести или ускорения.
Очень точные измерения достигаются за счет обеспечения того, чтобы точка опоры весов практически не имела трения ( традиционное решение - острие ножа ), путем прикрепления указателя к балке, который усиливает любое отклонение от положения баланса; и, наконец, с помощью принципа рычага , который позволяет применять дробные массы путем перемещения небольшой массы вдоль измерительного плеча балки, как описано выше. Для наибольшей точности необходимо учитывать плавучесть воздуха , эффект которой зависит от плотности задействованных масс.
.jpg/1280px-Kubanino_sur_stratpesilo_(Vieno).jpg)
Чтобы уменьшить потребность в больших эталонных массах, можно использовать смещенную от центра балку. Весы со смещенной от центра балкой могут быть почти такими же точными, как весы со смещенной от центра балкой, но для смещенной от центра балки требуются специальные эталонные массы, и точность их невозможно проверить путем простой замены содержимого чашек в качестве центральных. Баланс луча может. Чтобы уменьшить потребность в небольших градуированных эталонных гирях, можно установить скользящую гирю, называемую пуазом, так, чтобы ее можно было расположить вдоль калиброванной шкалы. Баланс усложняет процедуру калибровки, поскольку точная масса балансира должна соответствовать точному передаточному отношению рычага балки.
Для большего удобства при размещении больших и неуклюжих грузов платформа может плавать на консольной балочной системе, которая передает пропорциональную силу на переднюю железную опору; это натягивает стержень стилера , чтобы передать уменьшенную силу на балку удобного размера.
Эту конструкцию до сих пор можно увидеть в портативных балочных весах грузоподъемностью 500 кг, которые обычно используются в суровых условиях без электричества, а также в более легких механических весах для ванных комнат (в которых фактически используются пружинные весы внутри). Дополнительные шарниры и подшипники снижают точность и усложняют калибровку; в плавающей системе необходимо исправить угловые ошибки, прежде чем корректировать размах путем регулировки балансира и равновесия.
В 1669 году француз Жиль Персон де Роберваль представил Французской академии наук новый вид весов. Эта шкала состояла из пары вертикальных колонн, разделенных парой плеч одинаковой длины и вращающихся в центре каждого плеча от центральной вертикальной колонны, образуя параллелограмм. Со стороны каждой вертикальной колонны выдвигался колышек. К изумлению наблюдателей, где бы Роберваль ни вешал на колышке две равные гири, весы все равно уравновешивались. В этом смысле масштаб был революционным: он превратился в более часто встречающуюся форму, состоящую из двух кастрюль, помещенных на вертикальную колонну, расположенную над точкой опоры, и параллелограмма под ней. Преимущество конструкции Роберваля в том, что независимо от того, где на чашках расположены одинаковые гири, весы все равно будут сбалансированы.
Дальнейшие разработки включали «шестеренчатый баланс», в котором параллелограмм заменяется любым нечетным числом взаимосвязанных шестерен, превышающих одну, с чередующимися шестернями одинакового размера, при этом центральная шестерня прикреплена к подставке, а внешние шестерни прикреплены к поддонам. а также «балансир звездочек», состоящий из цепи велосипедного типа, обернутой вокруг нечетного числа звездочек, при этом центральная закреплена, а два крайних могут свободно вращаться и прикреплены к поддону.
Поскольку весы Роберваля имеют больше подвижных соединений, которые увеличивают трение, они менее точны, чем традиционные лучевые весы, но во многих целях это компенсируется их удобством использования.
Торсионные весы являются одними из наиболее механически точных аналоговых весов. В аптечных школах США до сих пор учат пользоваться торсионными весами. В них используются чаши, подобные традиционным весам, которые лежат на верхней части механической камеры, измерения которой основаны на степени скручивания проволоки или волокна внутри камеры. Весы по-прежнему должны использовать калибровочную гирю для сравнения и могут взвешивать объекты весом более 120 мг с погрешностью +/- 7 мг. Многие микровесы и ультрамикровесы, которые взвешивают дробные значения в граммах, являются торсионными весами. Распространенным типом волокна является кристалл кварца. [12]
Микровесы (также называемые ультрамикровесами или нановесами) — это прибор, способный производить точные измерения массы объектов относительно небольшой массы: порядка миллиона долей грамма и ниже.
Аналитические весы — это класс весов, предназначенный для измерения небольших масс в субмиллиграммовом диапазоне. Измерительная чашка аналитических весов (0,1 мг или выше) находится внутри прозрачного корпуса с дверцами, чтобы не собиралась пыль и потоки воздуха в помещении не влияли на работу весов. Это ограждение часто называют ветрозащитным щитом. Использование защитного кожуха весов с механической вентиляцией и акриловыми аэродинамическими профилями уникальной конструкции обеспечивает плавный поток воздуха без турбулентности, что предотвращает колебания весов и позволяет измерять массу до 1 мкг без колебаний или потери продукта. Кроме того, образец должен иметь комнатную температуру , чтобы естественная конвекция не приводила к возникновению воздушных потоков внутри корпуса и не приводила к ошибкам в показаниях. Механические замещающие весы с одной чашкой поддерживают постоянную реакцию на протяжении всей полезной емкости, что достигается за счет поддержания постоянной нагрузки на балансир и, следовательно, точку опоры за счет вычитания массы на той стороне балансира, к которой добавляется образец. [ нужна цитата ]
Электронные аналитические весы измеряют силу, необходимую для противодействия измеряемой массе, а не используют фактические массы. Таким образом, они должны иметь корректировку калибровки, чтобы компенсировать гравитационные различия. [13] Они используют электромагнит для создания силы, противодействующей измеряемому образцу, и выдают результат, измеряя силу, необходимую для достижения баланса. Такое измерительное устройство называется датчиком восстановления электромагнитной силы. [14]
В весах маятникового типа не используются пружины. В этих конструкциях используются маятники, и они работают как баланс, на который не влияет разница в силе тяжести. Примером применения этой конструкции являются весы компании Toledo Scale. [15]
Программируемые весы имеют программируемый логический контроллер , позволяющий программировать их для различных применений, таких как дозирование, маркировка, заполнение (с функцией контрольного веса), грузовые весы и многое другое.
Другой важной функцией является подсчет, например, используемый для подсчета мелких деталей в больших количествах во время ежегодной инвентаризации. Счетные весы (которые также могут просто взвешивать) могут иметь диапазон от миллиграммов до тонн. [16]
Весы (в частности, двухкорпусные балочные весы) являются одним из традиционных символов правосудия , которым владеют статуи Леди Справедливости . Это соответствует использованию метафоры о том, что вопросы «держатся на волоске». Оно берет свое начало в Древнем Египте. [17]
Весы также широко используются как символ финансов, коммерции или торговли, в которой они с древних времен играли традиционную жизненно важную роль. Например, весы-весы изображены на печати Министерства финансов США и Федеральной торговой комиссии .
Весы также являются символом астрологического знака Весы .
Весы (в частности, двухкорпусные балочные весы в состоянии равного баланса) являются традиционным символом пирронизма , указывающим на равный баланс аргументов, используемых при побуждении эпохи . [18]
Хотя в записях 1700-х годов упоминаются пружинные весы для измерения массы, самая ранняя конструкция такого устройства датируется 1770 годом и принадлежит Ричарду Солтеру, одному из первых производителей весов. [3] Пружинные весы получили широкое распространение в Соединенном Королевстве после 1840 года, когда Р. У. Уинфилд разработал подсвечные весы для взвешивания писем и посылок, необходимые после введения Uniform Penny Post . [19] Почтовые работники могли работать с пружинными весами быстрее, чем с весами-балансирами, поскольку их показания можно было считывать мгновенно, и их не нужно было тщательно балансировать при каждом измерении.
К 1940-м годам к этим конструкциям стали прикрепляться различные электронные устройства для повышения точности показаний. [3] [7] Тензодатчики – преобразователи, которые преобразуют силу в электрический сигнал – появились еще в конце девятнадцатого века, но только в конце двадцатого века их широкое использование стало экономически и технологически жизнеспособным. [20]
Механические весы или балансы используются для описания устройства для взвешивания, которое используется для измерения массы, силы , напряжения и сопротивления объекта без необходимости источника питания. Типы механических весов включают пружинные весы, подвесные весы, трехбалочные весы и измерители силы.
Пружинные весы измеряют массу, сообщая расстояние, на которое пружина прогибается под нагрузкой. Это контрастирует с весами , которые сравнивают крутящий момент на рычаге, вызванный грузом образца, с крутящим моментом на рычаге, вызванным стандартной эталонной массой, с использованием горизонтального рычага . Пружинные весы измеряют силу , которая представляет собой силу натяжения , действующую на объект, противодействующую местной силе тяжести. [21] Обычно они калибруются таким образом, чтобы измеренная сила переводилась в массу при гравитации Земли. Взвешиваемый объект можно просто подвесить на пружину или установить на поворотную и несущую платформу.
В пружинных весах пружина либо растягивается (как в подвесных весах в продуктовом отделе продуктового магазина ), либо сжимается (как в простых весах для ванной комнаты). По закону Гука каждая пружина имеет константу пропорциональности, которая связывает силу ее растяжения с силой растяжения. В весах используется пружина с известной жесткостью пружины (см. закон Гука ) и измеряется смещение пружины с помощью любого разнообразия механизмов, чтобы оценить силу гравитации , приложенную к объекту. [22] Реечные механизмы часто используются для преобразования линейного движения пружины в показания циферблата.
Пружинные весы имеют два источника погрешностей, которых нет у весов: измеренная масса варьируется в зависимости от силы местной гравитационной силы (на целых 0,5% в разных местах Земли), а упругость измерительной пружины может незначительно меняться в зависимости от температуры. . Однако при правильном изготовлении и настройке пружинные весы можно считать законными для коммерческого использования. Чтобы устранить температурную ошибку, разрешенные к использованию пружинные весы должны либо иметь пружины с температурной компенсацией, либо использоваться при достаточно постоянной температуре. Чтобы устранить влияние колебаний силы тяжести, весы, разрешенные для коммерческой деятельности, должны быть откалиброваны там, где они используются.
В приложениях с высокой производительностью, таких как крановые весы, также часто используется гидравлическая сила для определения массы. Испытательное усилие прикладывается к поршню или диафрагме и передается по гидравлическим линиям на циферблатный индикатор на основе трубки Бурдона или электронного датчика. [23]
Электронные цифровые весы отображают вес в виде числа, обычно на жидкокристаллическом дисплее (ЖК-дисплее). Они универсальны, поскольку могут выполнять расчеты измерений и передавать их на другие цифровые устройства. В цифровом масштабе сила веса вызывает деформацию пружины, а величина деформации измеряется одним или несколькими датчиками, называемыми тензодатчиками . Тензорезистор – это проводник , электрическое сопротивление которого изменяется при изменении его длины. Тензометрические датчики имеют ограниченную емкость, и вместо них в более крупных цифровых весах может использоваться гидравлический преобразователь, называемый тензодатчиком . На устройство подается напряжение, и вес вызывает изменение тока через него. Ток преобразуется в цифровое число с помощью аналого-цифрового преобразователя , переводится цифровой логикой в правильные единицы и отображается на дисплее. Обычно устройство управляется микропроцессором .
Цифровые напольные весы — это напольные весы, на которых стоит человек. Вес отображается на светодиодном или ЖК-дисплее. Цифровая электроника может делать больше, чем просто отображать вес, она может рассчитывать жировые отложения, ИМТ , мышечную массу и соотношение воды. Некоторые современные напольные весы подключаются по беспроводной или сотовой сети и имеют такие функции, как интеграция со смартфоном, облачное хранилище и отслеживание фитнеса. Обычно они питаются от таблеточного элемента или батареи размера AA или AAA.
Цифровые кухонные весы используются для взвешивания продуктов на кухне во время приготовления. Обычно они легкие и компактные.
В электронных версиях пружинных весов отклонение балки, поддерживающей неизвестную массу, измеряется с помощью тензодатчика , который представляет собой электрическое сопротивление, чувствительное к длине . Производительность таких устройств ограничена только сопротивлением балки прогибу. Результаты из нескольких опорных точек могут суммироваться в электронном виде, поэтому этот метод подходит для определения массы очень тяжелых объектов, таких как грузовики и железнодорожные вагоны, и используется в современных весах .
Эти весы используются в современных отделах хлебобулочных , бакалейных , деликатесных , морепродуктов , мяса , продуктов и других скоропортящихся продуктов. Весы для супермаркетов могут печатать этикетки и чеки, указывать массу и количество, цену за единицу, общую цену и, в некоторых случаях, тару . Некоторые современные весы в супермаркетах печатают RFID- метку, которую можно использовать для отслеживания подделки или возврата товара. В большинстве случаев эти типы весов имеют запечатанную калибровку, поэтому показания на дисплее являются правильными и не могут быть подделаны. В США весы сертифицированы Национальной программой оценки типа (NTEP), в Южной Африке — Южноафриканским бюро стандартов , в Австралии — Национальным институтом измерений (NMI) , а в Великобритании — Международным институтом измерений (NMI). Организация законодательной метрологии .
Большинство стран регулируют конструкцию и обслуживание весов, используемых в торговле. Например, в Европейском Союзе на весы распространяются директивы 2014/31/EU и 2014/32/EU. Процедура оценки соответствия проводится перед размещением прибора на рынке, а приборы проверяются через определенный период времени в государствах-членах Европейского Союза. Это, как правило, приводит к отставанию масштабных технологий от других технологий, поскольку внедрение новых разработок связано с дорогостоящими нормативными препятствиями. Тем не менее, было [ когда? ] тенденция к «цифровым тензодатчикам», которые на самом деле представляют собой тензодатчики со специальными аналоговыми преобразователями и сетью, встроенной в саму ячейку. Такие конструкции уменьшили проблемы обслуживания, связанные с объединением и передачей нескольких сигналов напряжением 20 милливольт в агрессивных средах.
Государственное регулирование обычно требует периодических проверок лицензированными техническими специалистами с использованием гирь, калибровка которых прослеживается в утвержденной лаборатории. Весы, предназначенные для неторгового использования, например, используемые в ванных комнатах, кабинетах врачей, на кухнях (контроль порций) и для оценки цен (но не для официального определения цен), могут производиться, но по закону должны иметь маркировку «Не разрешено для торговли». чтобы гарантировать, что они не будут перепрофилированы таким образом, чтобы поставить под угрозу коммерческий интерес. В Соединенных Штатах документом, описывающим, как весы должны быть спроектированы, установлены и использованы в коммерческих целях, является Руководство 44 NIST . Сертификация Legal For Trade (LFT) обычно подтверждает читаемость путем проверки повторяемости измерений, чтобы гарантировать максимальную погрешность в 10%. [ нужна цитата ]
Поскольку гравитация изменяется более чем на 0,5% на поверхности Земли, различие между силой гравитации и массой важно для точной калибровки весов в коммерческих целях. Обычно целью является измерение массы образца, а не силы тяжести, возникающей в этом конкретном месте.
Традиционные механические весы-балансиры по сути измеряют массу. Но обычные электронные весы по своей сути измеряют силу гравитации между образцом и Землей, то есть вес образца, который варьируется в зависимости от местоположения. Таким образом, такие весы необходимо повторно калибровать после установки для этого конкретного места, чтобы получить точные показания массы.
Некоторые из источников ошибок при взвешивании:
В 2014 году была представлена концепция гибридных весов — упруго деформируемых весов с рычагом [26] , которые представляют собой комбинацию пружинных весов и балочных весов, одновременно используя оба принципа равновесия и деформации. В этом масштабе жесткие плечи классических балочных весов (например, безмена ) заменены гибким упругим стержнем в наклонной скользящей втулке без трения. Стержень может достичь уникального скользящего равновесия, когда к его краям приложены две вертикальные собственные нагрузки (или массы). Равновесие, которое было бы невозможно при использовании жестких рычагов, гарантируется, поскольку на двух краях втулки возникают конфигурационные силы вследствие как условия свободного скольжения, так и нелинейной кинематики упругого стержня. Это устройство для измерения массы может работать и без противовеса .
_met_2_gewichten_in_brons,_50_tot_200_NC,_vindplaats-_Onbekend,_collectie_Gallo-Romeins_Museum_Tongeren,_GRM_48.jpg/1280px-Weegschaal_(unster)_met_2_gewichten_in_brons,_50_tot_200_NC,_vindplaats-_Onbekend,_collectie_Gallo-Romeins_Museum_Tongeren,_GRM_48.jpg)
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )стр. 3480–3485.