Fast jeder war auf einer Waage; Manche Menschen kontrollieren täglich ihr Gewicht aus gesundheitlichen oder sportlichen Gründen, andere nutzen Waagen eher im Supermarkt, am Arbeitsplatz oder im Rahmen einer umfassenden naturwissenschaftlichen Ausbildung.
Oftmals wird Waagen vorgeworfen, falsch zu sein, und das zu Recht; diese Geräte unterliegen im Verhältnis zu ihrer Größe erheblichen mechanischen Belastungen, insbesondere bei sogenannten Bad- oder Haushaltswaage, und es braucht nicht viel, um die Waagenteile in Unordnung zu bringen, auch wenn sie richtig konstruiert sind und kalibriert.
Haben Sie jemals darüber nachgedacht, wie eine Waage überhaupt "weiß", wie viel Masse ihr hinzugefügt wurde? Wie bleiben diese Geräte, unabhängig von ihrem Innenleben, im Laufe der Zeit genau? Und was ist mit der Behauptung "Gewicht ist nicht gleich Masse", wenn es aus einem Blick auf die Handelswelt, dass Kilogramm und Pfund oft als unterschiedliche Einheiten ein und derselben physikalischen Einheit behandelt werden Menge?
Gewicht und Masse definiert
Masse ist ein Maß für die Materie an sich, die Menge an "Stoff", die in einer Probe vorhanden ist. Eine Möglichkeit, sich Masse vorzustellen, ist, dass sie eine Trägheit hat, was bedeutet, dass Energie hinzugefügt werden muss, wenn sie sich nicht bewegt das System, um es in Bewegung zu setzen, während, wenn es sich bereits bewegt, Energie hinzugefügt werden muss, um es zu verlangsamen oder zu stoppen geradezu. Die Intuition sagt Ihnen, dass je massiver ein Objekt ist, desto schwieriger ist es, entweder aus der Ruhe in Bewegung zu geraten oder zu stoppen, wenn es in Bewegung ist.
Gewicht ist Masse multipliziert mit G, die durch die Schwerkraft erzeugte Beschleunigung. Auf der Erde ist das allgemein gebräuchliche G Wert ist 9,8 Meter pro Sekunde zum Quadrat (m/s2), während sie auf dem Mond deutlich geringer und auf dem Jupiter weitaus größer ist, da diese Körper kleinere bzw. größere Massen als die Erde haben. Das Ergebnis ist, dass die gleiche Masse ein unterschiedliches Gewicht hat, wenn sie in ein stärkeres oder schwächeres Gravitationsfeld gebracht wird.
Im SI-Einheitensystem (dem metrischen oder internationalen System) ist die Basiseinheit der Masse die Kilogramm (kg), während die Gewichtseinheit oder allgemeiner die Kraft Newton (N) ist. Eine Person mit einer Masse von 70 kg (ca. 154 Pfund oder lb; 1 kg = 2,204 lb) wird auf der Erde ein Gewicht von (70)(9,8) = 686 N haben.
Masse versus Gewicht im Alltag
Das Pfund ist eigentlich eine Gewichtseinheit, keine Masse. Die Wurzeleinheit der Masse im entsprechenden imperialen oder britischen Einheitensystem ist die Schnecke, die weitgehend in Vergessenheit geraten ist. Da die meisten Menschen ihre Waage auf der Erde verwenden und die Amerikaner ihre "Masse" in Pfund wissen möchten, wird die Schwerkraft tatsächlich in die Waage auf der Erde integriert.
Es ist daher wissenschaftlich nicht korrekt zu sagen "100 Kilogramm sind 220,4 Pfund", aber es ist ist richtig zu sagen "Eine Masse von 100 Kilogramm hat ein Gewicht von 220,4 Pfund auf der Erde." Denken Sie daran, dass die meisten Größen wurden vor Jahrhunderten erfunden, zu einer Zeit, als die Schwerkraft außer der der Erde nicht der Rechnung wert war zum!
Eine kurze Geschichte der Waagen
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), der zusammen mit Isaac Newton das mathematische Gebiet der Infinitesimalrechnung miterfunden hat, soll auch die ersten Wägegeräte erfunden haben. Seine Konstruktion ähnelte dem Sternzeichen Waage, das normalerweise dargestellt wird: Ein vertikaler Pfosten mit einer horizontalen Stange, die durch ein bewegliches Gelenk an der Spitze befestigt ist. An den Enden dieser horizontalen Stange wurden zwei Platten mit ausreichender relativer Masse aufgehängt, um die Anordnung im Gleichgewicht zu halten.
Das Genie von Leibniz' Gerät, genannt a Mittelbalkenwaage, ist, dass es bestimmen könnte relativ Massen von gekennzeichneten Objekten durch eine Reihe von Additionen und Subtraktionen von Kieselsteinen oder dergleichen. Nach diesem Schema war es unvermeidlich, dass Positionen markiert und numerische Werte zugewiesen wurden, und ein ganz neues System zur genauen Verfolgung von Mengen wurde ins Spiel gebracht.
Mitte der 1750er Jahre die erste Pendelwaage erschienen, und diese wurden im Laufe der Zeit immer ausgefeilter, da technische Entwicklungen eine höhere Präzision in der Fertigung ermöglichten. Pendelwaagen werden heute noch in vielfältiger Form eingesetzt und sind oft mit einer Elektronik ausgestattet, die beispielsweise die Umrechnung eines bestimmten Gewichts auf einen bestimmten Einkaufspreis ermöglicht.
Arten von Waagen
Die Mittelbalkenwaage ist aus Gründen, die wahrscheinlich bereits klar sind, genauso wenig Teil der modernen Wissenschaft oder des Handels wie der Pony Express. Ohne diese mittlerweile urige Maschine wäre jedoch keine der modernen Waagen entstanden. Ein Auszug moderner Waagen:
Analytische Ausgeglichenheit: Dies ist, was Sie wahrscheinlich im Labor gesehen haben. Sie legen einfach ein Objekt auf eine Platte auf der Einheit und es gibt eine Masse zurück (oder, wenn der Benutzer es vorzieht, eine "Masse" in britischen Einheiten wie Unzen oder Pfund). Diese sind so gebaut, dass die Platte allein unter dem Einfluss der Schwerkraft ruht, und die Maschine gleicht dies aus, indem sie intern die Kraft ermittelt, die erforderlich ist, um die Platte genau ruhig zu halten.
Personenwaage: Der fortschreitende technologische Fortschritt hat zu Modellen geführt, die einer einheitlichen Personenwaage-Definition nicht mehr annähernd entsprechen. Die meisten sind heute digital, aber analoge Modelle der "alten Schule" bleiben bestehen.
Zählwaage: Dies wird verwendet, um mehrere Gegenstände zu wiegen, von denen bekannt ist, dass sie ein einheitliches Gewicht haben (z. B. Präzisionskugellager) und eine Gesamtstückzahl basierend auf dem Ergebnis anzuzeigen.
Wenn Sie beispielsweise eine große Sammlung von verschiedenfarbigen, aber ansonsten identischen Gummibällen hatten, könnten Sie feststellen genau wie viele sich in Ihrer Sammlung befinden, indem Sie sie auf eine solche Waage laden und den Eingabeparameter auf die Masse von Eins setzen Ball. Für einen Satz Gummibälle mit einem Stückgewicht von 0,125 kg und einer Gesamtmasse von 40 kg würde die Maschine also antworten, dass Sie [40 kg/(0,125 kg/Ball)] = 320 Bälle in Ihrer Sammlung haben.
Kranwaage: Diese Waagen haben eine erwartete Kapazität von 5.000 Pfund (2.270 kg) oder mehr, was 2,5 Tonnen entspricht, ähnlich wie bei den meisten alltäglichen Kraftfahrzeugen. Diese sind so konzipiert, dass sie Lasten wiegen, während sie mit einem Kran über dem Boden aufgehängt werden. Dies wäre kein Unterfangen für Unaufmerksame!
Mikrowaage: Diese können bis zu einem Wert von 1 Mikrogramm (1µg) oder besser abgelesen werden. Ein Mikrogramm ist ein Milliardstel Kilogramm, was bedeutet, dass es sich wahrscheinlich nicht um eine Einheit handelt, mit der Sie viel auf einem bewusster Ebene gehört es zum Alltag von Chemikern, Mikrobiologen, Pharmakologen und vielen anderen wissenschaftlichen Fachkräften.
Postwaage: Diese Art von Wiegevorrichtung ist ein Beispiel für eine Rechenwaage, die Preisänderungen anzeigt, wenn Masse hinzugefügt oder entfernt wird, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden. Es wird verwendet, um das Versandgewicht oder die Zustellgebühren für Briefe oder Pakete zu ermitteln, die vom United States Postal Service (USPS) oder privaten Versandunternehmen zugestellt werden.
Fahrzeugmaßstab: Diese Waagen sind zum Wiegen von großen Lastkraftwagen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen und anderen großen Industriefahrzeugen konzipiert. Sie haben wahrscheinlich Schilder mit der Aufschrift "Weigh Station Ahead" gesehen, wenn Sie auf US-Interstate Highways gefahren sind.
Diese werden verwendet, um Sicherheitsvorschriften durchzusetzen, z. B. um sicherzustellen, dass Fahrzeuge, die bestimmte Straßen benutzen, nicht mehr als die angegebenen Gewichtsbeschränkungen dieser Straßen – etwas, das die meisten Leute nicht einmal sehen können eng!