يمكن استخدام المقاييس والموازين لأشياء متشابهة ، لكن فهم الاختلافات في كيفية إنتاجها للأوزان يخبرك عن استخداماتها المختلفة. يستخدم الكثير من الناس كلمتي "مقياس" و "توازن" للإشارة إلى نفس الأشياء أو أشياء متشابهة. يمكن أن يسبب هذا التباسًا في تحديد ما يتم قياسه بدقة من خلال التقنيات المختبرية التي تستخدم المقاييس والموازين.
ماذا تفعل المقاييس
تستخدم الموازين بشكل عام عند قياس الوزن. يقيسون القوة المؤثرة على كتلة ويستخدمون معادلة وزن الجسم على الأرض لتحديد وزنه. يمكن أن تختلف أنواع الميزان في طريقة عملها. تستخدم موازين الوزن الحديثة أحيانًا مجموعات من النوابض مرتبة معًا بحيث يقيس المقياس مقدار ضغط الزنبرك لتحديد الوزن.
تستخدم موازين الوزن الأخرى خلايا تحميل مقياس الإجهاد. هذه هي الأجهزة التي ، عند ممارسة قوة عليها ، تضغط قليلاً مثل الكهربائية يمكن أن تكون المقاومة في مقياس الإجهاد ، وهي الأجهزة التي تقيس التيار الكهربائي من خلال خلية الحمل تقاس. ترتبط المقاومة في هذه الدائرة الكهربائية بالوزن الموضوع على المقياس بحيث يمكن قياس التغيير في هذه المقاومة وتحويله إلى وزن.
تُستخدم المقاييس عمومًا في التطبيقات التي لا تحتاج فيها إلى قدر كبير من الدقة والتعقيد في التوازن. هذا يعني أنك سترى استخدامًا عند المشي على ميزان في صالة الألعاب الرياضية أو في منزلك بالإضافة إلى مناطق وزن مكونات الطعام. تشتمل الأنواع الأخرى من الميزان على موازين ميكانيكية تقيس الكتلة بشكل مباشر من خلال مقدار دوران الإبرة بسبب الوزن أو المقاييس الرقمية التي تستخدم مقياس حمل الإجهاد كما هو موصوف.
ماذا تفعل الموازين
من ناحية أخرى ، تخبرك الموازين بكتلة كل ما تضعه على منصة الميزان. يحسبون ذلك بناءً على الوزن الموضوع على منصة الميزان باستخدام نفس المبادئ التي تستخدمها الموازين. لكن الأرصدة على وجه الخصوص تُبنى عمومًا باستخدام آلية استعادة القوة التي تعارض قوة وزن المادة على الميزان. قوة الاستعادة هذه هي التي تجعل الجسم يعود إلى التوازن بقوة صافية مقدارها صفر.
على عكس المقاييس ، تكون الموازين أكثر تعقيدًا وعادة ما تُرى بشكل متكرر أكثر في المختبرات ومراكز أبحاث الجامعات والمرافق الطبية وبيئات البحث المماثلة. يمكن أن تكون بشكل عام أكثر دقة من المقاييس أيضًا.
يمكن أن تشتمل الأنواع المختلفة لميزان الوزن على موازين دقيقة تزن عينات الكتلة إلى كسور الجرام ، والموازين التحليلية التي يقيس أيضًا التغييرات الدقيقة في موازين الوزن والدقة ، والتي لها نطاق أوزان أكبر من الموازين التحليلية ولكن أقل الاحكام. يمكن للموازين الدقيقة قياس الكتلة بالجرام بدقة تصل إلى منزلتين أو ثلاث منازل عشرية. يمكن أن تحقق الموازين التحليلية دقة أكبر ، حتى أربعة منازل عشرية ، ويمكن للموازنات الدقيقة إخبارك بالكتلة بالجرام حتى ستة منازل عشرية.
على الرغم من هذه الاختلافات بين المقاييس والموازين ، لا يزال المصطلحان "مقاييس" و "أرصدة" يستخدمان بشكل متبادل نسبيًا (على النحو الوارد في المصطلح "ميزان الميزان") ، حتى بين العلماء ، لا سيما بالنظر إلى الآليات التي يمكن أن يقيس استخدامها أيضًا الكتلة ويمكن استخدام الموازين أيضًا قياس وزن. يمكن أن يساعدك فهم هذه الآليات بمزيد من التفصيل على تمييز الفرق عند الضرورة.
الوزن على المقاييس والموازين
عندما يفكر الناس في المقاييس أو الموازين ، فمن الشائع أن يتخيلوا كتلتين متصلتين ببعضهما البعض على محور يزن إحداهما مقابل الأخرى. يوضح هذا الشكل البدائي لتحديد الكتلة أو الوزن الذي كان مع البشر لعدة قرون فيزياء قوة الجاذبية التي تستخدمها العديد من المقاييس والموازين في تحديد الوزن أو الكتلة ، على التوالى.
قد تقيس الموازين الوزن والكتلة ، على التوالي ، لكنها تعتمد على نفس المبادئ الفيزيائية التي تحكم قوى الجاذبية على الأجسام. باستخدام قانون نيوتن الثاني ، يمكنك قياس قوة الجسمFكمنتج من كتلتهميضاعف تسارعهأاستخدامF = أماه.لأن قوة وزن الجسمدبليوالجذب نحو الأرض هو هذه القوة التي تستخدم تسارعًا قدرهز، تسارع الجاذبية ، يمكنك إعادة كتابة المعادلة على النحو التاليW = ملغللكتلةممن الكائن.
في تطبيقات العالم الحقيقي ، يجب معايرة المقاييس والموازين بناءً على الموقع الذي توجد فيه يتم استخدامه لأن تسارع الجاذبية يمكن أن يختلف بنسبة تصل إلى 0.5٪ عبر أجزاء مختلفة من أرض. بعد معايرة الميزان أو الميزان ، يكون التحويل بين الوزن والكتلة مباشرًا للأداة العلمية.
مقياس الربيع
قد تلخص المقاييس والموازين هذه القوة جنبًا إلى جنب مع قوى أخرى مثل التغيير في طول الزنبرك استجابة للوزن الموضوع على سطح الجهاز. تتوسع هذه الينابيع وتضغط وفقًا لـقانون هوك، والذي يخبرك أن القوة المؤثرة على الزنبرك مثل وزن جسم ما ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالمسافة التي يتحرك بها الزنبرك نتيجة لها.
في شكل مماثل لقانون نيوتن الثاني ، هذا القانون هو
F = kx
للقوة المطبقةF، صلابة الربيعكونتيجة لذلك ، فإن المسافة التي يتحرك بها الربيعx.
يمكن أن يكون مقياس الزنبرك حساسًا ودقيقًا لقياس الكتل إلى كسور الأرطال. عندما تخطو على ميزان الحمام ، تنضغط الينابيع الموجودة بداخله بحيث تدور الإبرة أو القرص حتى يظهر وزنك. يمكن للأسف أن تتعرض قشور الربيع للتراخي حيث يتم استخدام الربيع بشكل روتيني على مدى فترة طويلة من الزمن. يؤدي هذا إلى فقدان الربيع قدرته والتوسع والتقلص بشكل طبيعي. لهذا السبب ، يجب معايرتها بشكل مناسب ومستمر لمنع حدوث ذلك.
بالإضافة إلى قانون هوكي ، يمكنك استخداممعامل يونج(أو معامل المرونة) في تحديد مقدار ضغط الخيط عندما تمارس وزنًا عليه. يتم تعريفه على أنه نسبة الإجهاد إلى الإجهاد ، معطى بواسطة
E = \ frac {\ epsilon} {\ sigma}
لمعامل يونغه، ضغط عصبىϵ("إبسيلون") وسلالةσ("سيجما").
بالنسبة لهذه المعادلة ، يُعطى الإجهاد كقوة لكل وحدة مساحة ، والضغط هو التغير في الطول مقسومًا على الطول الأصلي. يقيس معامل يونج مقاومة المادة للتشوه ، والمواد الأكثر صلابة لها معامل يونج أكبر.
ثم يحتوي معامل يونج على وحدات قوة لكل منطقة ، وكذلك الضغط. يمكنك استخدام هذا لمضاعفة معامل يونغ في مساحة سطح الزنبرك الذي يستقبل وزن الجسم للحصول على القوة المؤثرة على الزنبرك. هذه هي نفس القوةFفي قانون هوك.
قياس الضغط
مقاييس الإجهاد المستخدمة في موازين الوزن تقيس التغير في المقاومة الكهربائية في وجود الوزن على الميزان. مقياس الإجهاد نفسه عبارة عن قطعة من المعدن تحيط بسلك رفيع أو رقاقة مرتبة في نمط يشبه الشبكة لدائرة كهربائية بحيث ، عندما تواجه قوة في اتجاه واحد ، تتغير مقاومتها بمقدار ضئيل ودقيق بما يتناسب مع وزن.
عندما يجعل الوزن أجزاء من السلك أو الرقاقة أكثر توتراً وضغطًا ، تزداد مقاومة الدائرة الكهربائية ، ويصبح مقياس الإجهاد أكثر سمكًا وأقصر استجابة لذلك. بإرسال تيار عبر الدائرة ، تحسب المقاييس كيف تتغير هذه المقاومة بسبب الوزن لتحديد الوزن الذي يمارس عليها. عادةً ما يكون التغيير في المقاومة دقيقًا جدًا وحوالي 0.12 Ω ، ولكن هذا يعطي مقاييس الإجهاد دقة أكبر في تحديد الوزن.