Взвешивание

Взвешивание — это физический процесс определения массы объекта путём сравнения с эталоном массы (гирей) или измерения силы тяжести, действующей на объект, с последующим пересчётом в единицы массы. Взвешивание является одним из наиболее распространённых видов измерений, применяемых в науке, промышленности, торговле, медицине и быту.

История

Потребность в измерении массы возникла в древних цивилизациях с развитием торговли и строительства. Первые известные весы — рычажные — появились в Месопотамии и Древнем Египте около 5–6 тысяч лет назад. Они представляли собой коромысло с двумя чашами, на одну из которых помещали взвешиваемый товар, а на другую — эталонные гири. Принцип действия таких весов основан на законе рычага: равновесие наступает, когда моменты сил, действующих на плечи коромысла, равны.

В Древнем Риме были разработаны безмены — неравноплечные рычажные весы с передвижной гирей. В Средние века в Европе и на Ближнем Востоке совершенствовались конструкции рычажных весов, появились весы с чашами, защищёнными от ветра, и более точные гири. В России в XVI–XVII веках для взвешивания товаров использовались «контари» (разновидность безмена) и «пудовые» весы.

Важным этапом стало создание в XVIII веке точных аналитических весов для научных лабораторий. Шведский химик Торберн Бергман, а затем французский химик Антуан Лавуазье внесли вклад в повышение точности взвешивания, что позволило открыть закон сохранения массы. В 1832 году английский физик Чарльз Уитстон изобрёл пружинные весы, измеряющие силу упругости пружины, пропорциональную массе груза.

В XX веке с развитием электроники появились электронные весы, использующие тензодатчики, пьезоэлектрические или электромагнитные преобразователи. В 1970-х годах началось массовое внедрение цифровых весов с микропроцессорным управлением, что позволило автоматизировать процесс взвешивания и повысить его точность до тысячных долей грамма.

Физические основы

Взвешивание основано на измерении силы тяжести, действующей на объект. Сила тяжести \(F = mg\), где \(m\) — масса объекта, \(g\) — ускорение свободного падения. Поскольку \(g\) зависит от географической широты и высоты над уровнем моря, показания весов, основанных на измерении силы (например, пружинных или электронных), могут различаться в разных точках Земли. Для устранения этой погрешности весы калибруют по эталонным гирям в месте эксплуатации.

Рычажные весы сравнивают массу объекта с массой эталонных гирь, поэтому их показания не зависят от значения \(g\) — они измеряют массу, а не вес. Это делает их более точными для научных целей.

Классификация весов

Весы классифицируют по нескольким признакам.

По принципу действия

• Рычажные — основаны на уравновешивании моментов сил. Включают равноплечные (аналитические, аптекарские) и неравноплечные (безмены, десятичные весы) конструкции.
• Пружинные — измеряют деформацию упругого элемента (пружины), пропорциональную массе. Шкала градуируется в единицах массы, но фактически измеряется сила.
• Электронные — преобразуют механическую нагрузку в электрический сигнал с помощью тензорезисторов, кварцевых резонаторов или электромагнитных компенсаторов. Сигнал обрабатывается микропроцессором и выводится на дисплей.
• Гидростатические — используются для определения плотности жидкости или твёрдых тел путём взвешивания образца в воздухе и в жидкости.

По назначению

• Лабораторные — высокоточные (аналитические и полумикроаналитические) весы с дискретностью от 0,1 мг до 0,01 мг. Применяются в химии, фармацевтике, биологии.
• Торговые — предназначены для взвешивания товаров в розничной и оптовой торговле. Имеют класс точности III или IV по ГОСТ OIML R 76-1.
• Промышленные — используются на производстве для взвешивания сырья, продукции, отходов. Включают платформенные, бункерные, конвейерные, крановые весы.
• Медицинские — для измерения массы тела человека (напольные, кушеточные, детские).
• Автомобильные — для взвешивания грузового транспорта (стационарные и передвижные).
• Почтовые и бытовые — для взвешивания писем, посылок, продуктов питания.

По точности

Классы точности весов регламентируются международными и национальными стандартами. В России действует ГОСТ OIML R 76-1, устанавливающий классы: I (специальный), II (высокий), III (средний), IIII (обычный). Лабораторные весы относятся к классам I и II, торговые — к III, бытовые — к IIII.

Процесс взвешивания

Взвешивание включает несколько этапов:

1. Подготовка — проверка горизонтальности установки весов, калибровка (если требуется), обнуление показаний.
2. Размещение объекта — объект помещается на грузоприёмную платформу или в чашу. Для точных измерений объект должен быть неподвижен и не касаться посторонних предметов.
3. Снятие показаний — после стабилизации показаний (обычно через несколько секунд) фиксируется значение массы.
4. Запись результата — масса записывается с указанием единиц измерения (килограммы, граммы, миллиграммы, караты и т. д.).

Для повышения точности в лабораторной практике применяют методы многократного взвешивания (не менее трёх раз) и усреднения результатов. Также учитывают поправки на выталкивающую силу воздуха (архимедову силу), особенно при взвешивании объектов малой плотности или в вакууме.

Погрешности взвешивания

Основные источники погрешностей:

• Инструментальные — неточность изготовления весов, износ деталей, дрейф нуля, нелинейность шкалы.
• Методические — неправильная установка весов, влияние вибраций, воздушных потоков, температуры, влажности.
• Субъективные — ошибки оператора при считывании показаний (на аналоговых весах), округлении, записи.
• Физические — изменение ускорения свободного падения, выталкивающая сила воздуха, адсорбция влаги на поверхности объекта.

Для минимизации погрешностей весы регулярно поверяют в метрологических службах, а в лабораториях используют термостатирование, антивибрационные столы и защитные кожухи.

Применение

Взвешивание используется во всех сферах деятельности человека:

• В науке — для точного определения масс реагентов, образцов, продуктов реакций. Аналитические весы — обязательный инструмент в химических и физических лабораториях.
• В промышленности — для дозирования сырья, контроля готовой продукции, учёта материалов на складах. Автоматические весы встраиваются в конвейерные линии.
• В торговле — для определения стоимости товара по массе. В России и других странах торговые весы подлежат обязательной поверке и пломбированию.
• В медицине — для контроля массы тела пациентов, взвешивания новорождённых, дозирования лекарственных средств.
• В сельском хозяйстве — для взвешивания зерна, скота, удобрений.
• В быту — кухонные весы, напольные весы, багажные весы.

Интересные факты

• Эталон массы — Международный прототип килограмма — хранился в Международном бюро мер и весов (Франция) с 1889 года. В 2019 году определение килограмма было пересмотрено: теперь он привязан к постоянной Планка, что исключает зависимость от физического артефакта.
• Самые точные весы в мире — масс-спектрометры и весы на основе квантовых эффектов — способны измерять массу с точностью до 10⁻¹⁵ грамма.
• В Российской империи до введения метрической системы использовались такие единицы массы, как пуд (≈16,38 кг), фунт (≈409,5 г), золотник (≈4,266 г).
• Взвешивание в космосе невозможно с помощью обычных весов, поскольку в условиях невесомости сила тяжести отсутствует. Для измерения массы космонавтов и объектов на МКС используются специальные устройства, основанные на измерении инерции (вибрационные или маятниковые).

Источники

• ГОСТ OIML R 76-1-2011 «Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания».
• Кремлевский П. П. «Весы и их поверка». — М.: Издательство стандартов, 1990.
• Сена Л. А. «Единицы физических величин и их размерности». — М.: Наука, 1988.
• Международное бюро мер и весов (BIPM) — «The International System of Units (SI)», 9th edition, 2019.
• История развития весов // Музей весов и мер (Санкт-Петербург).