Ποια είναι η διαφορά μεταξύ κλίμακας και ισορροπίας;

Οι ζυγοί και οι ζυγοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παρόμοια πράγματα, αλλά η κατανόηση των διαφορών στο πώς παράγουν τα βάρη τους σας λέει για τις διαφορετικές χρήσεις τους. Πολλοί άνθρωποι χρησιμοποιούν τις λέξεις "κλίμακα" και "ισορροπία" για να σημαίνουν τα ίδια ή παρόμοια πράγματα. Αυτό μπορεί να προκαλέσει σύγχυση στον προσδιορισμό του τι ακριβώς μετράται μέσω εργαστηριακών τεχνικών που χρησιμοποιούν ζυγαριές και ισορροπίες.

Οι κλίμακες χρησιμοποιούνται γενικά κατά τη μέτρηση του βάρους. Μετρούν τη δύναμη που δρα σε μια μάζα και χρησιμοποιούν τον τύπο για το βάρος ενός αντικειμένου στη Γη για να προσδιορίσουν το βάρος του. Οι τύποι μιας κλίμακας ζύγισης μπορεί να διαφέρουν στον τρόπο λειτουργίας τους. Οι σύγχρονες ζυγαριές ζύγισης μερικές φορές χρησιμοποιούν σετ ελατηρίων που είναι διατεταγμένα έτσι ώστε η ζυγαριά να μετρά πόσο συμπιέζει το ελατήριο για να προσδιορίσει το βάρος.

Άλλες ζυγαριές ζυγίζουν χρησιμοποιούν κυψέλες φορτίου καταπόνησης. Αυτές είναι συσκευές που, όταν ασκείται δύναμη πάνω τους, συμπιέζουν ελαφρώς έτσι ώστε ένα ηλεκτρικό μπορεί να είναι αντίσταση στο μετρητή τάσης, συσκευές που μετρούν το ηλεκτρικό ρεύμα μέσω της κυψέλης φορτίου μετρημένος. Η αντίσταση σε αυτό το ηλεκτρικό κύκλωμα συσχετίζεται με το βάρος που τοποθετείται στην κλίμακα, ώστε η αλλαγή αυτής της αντίστασης να μπορεί να μετρηθεί και να μετατραπεί σε βάρος.

Οι κλίμακες χρησιμοποιούνται γενικά σε εφαρμογές όπου δεν χρειάζεστε τόση ακρίβεια και πολυπλοκότητα μιας ισορροπίας. Αυτό σημαίνει ότι θα δείτε τη χρήση όταν πατάτε σε μια ζυγαριά στο γυμναστήριο ή στο σπίτι σας, καθώς και σε περιοχές ζύγισης συστατικών τροφίμων. Άλλοι τύποι κλίμακας ζύγισης περιλαμβάνουν μηχανικές ζυγαριές που μετρούν τη μάζα κατευθείαν από το πόσο περιστρέφεται μια βελόνα λόγω βάρους ή ψηφιακών ζυγών που χρησιμοποιούν ένα μανόμετρο πίεσης όπως περιγράφεται.

Τα υπόλοιπα, από την άλλη πλευρά, σας λένε τη μάζα ό, τι τοποθετείτε στην πλατφόρμα του υπολοίπου. Υπολογίζουν αυτό με βάση το βάρος που τοποθετείται στην πλατφόρμα του υπολοίπου χρησιμοποιώντας τις ίδιες αρχές που χρησιμοποιούν οι κλίμακες. Όμως οι ισορροπίες ειδικά κατασκευάζονται γενικά χρησιμοποιώντας έναν μηχανισμό αποκατάστασης δύναμης που αντιτίθεται στη δύναμη βάρους του υλικού στην ισορροπία. Αυτή η δύναμη αποκατάστασης είναι αυτό που κάνει το αντικείμενο να επιστρέψει σε ισορροπία με καθαρή δύναμη μηδέν.

Σε αντίθεση με τις κλίμακες, τα υπόλοιπα είναι πιο περίπλοκα και συνήθως παρατηρούνται συχνότερα σε εργαστήρια, πανεπιστημιακά ερευνητικά κέντρα, ιατρικές εγκαταστάσεις και παρόμοια ερευνητικά περιβάλλοντα. Μπορούν γενικά να είναι πιο ακριβείς από τις κλίμακες.

Διαφορετικοί τύποι ισορροπίας ζύγισης μπορούν να περιλαμβάνουν μικροβαθμίδες που ζυγίζουν δείγματα μάζας σε κλάσματα ενός γραμμαρίου, αναλυτικές ισορροπίες που μετρά επίσης τις ελάχιστες αλλαγές στα ζυγαριά βάρους και ακρίβειας, οι οποίες έχουν μεγαλύτερο εύρος βαρών από τις αναλυτικές ισορροπίες αλλά λιγότερες ακρίβεια. Οι ζυγοί ακριβείας μπορούν να μετρήσουν τη μάζα σε γραμμάρια με ακρίβεια έως δύο ή τρία δεκαδικά ψηφία. Οι αναλυτικές ισορροπίες μπορούν να επιτύχουν μεγαλύτερη ακρίβεια, έως και τέσσερα δεκαδικά ψηφία και οι μικροζυγοί μπορούν να σας πουν μάζα σε γραμμάρια έως και έξι δεκαδικά ψηφία.

Παρά τις διαφορές μεταξύ των ζυγών και των ζυγών, οι όροι «κλίμακες» και «ζυγοί» εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σχετικά εναλλακτικά (όπως δίνεται από τον όρο "Ισορροπία κλίμακας"), ακόμη και μεταξύ των επιστημόνων, ειδικά δεδομένου ότι οι μηχανισμοί που χρησιμοποιούν οι κλίμακες μπορούν επίσης να μετρήσουν τη μάζα και αυτοί που μπορούν να μετρήσουν βάρος. Η καλύτερη κατανόηση αυτών των μηχανισμών μπορεί να σας βοηθήσει να διακρίνετε τη διαφορά όταν είναι απαραίτητο.

Όταν οι άνθρωποι σκέφτονται κλίμακες ή ισορροπίες, είναι συνηθισμένο να απεικονίζουν δύο μάζες που συνδέονται μεταξύ τους σε έναν άξονα που ζυγίζει τη μία από την άλλη. Αυτή η πρωτόγονη μορφή προσδιορισμού της μάζας ή του βάρους που έχει με τους ανθρώπους για αιώνες δείχνει το φυσική της βαρυτικής δύναμης που χρησιμοποιούν πολλές κλίμακες και ισορροπίες για τον προσδιορισμό βάρους ή μάζας, αντίστοιχα.

Οι κλίμακες και οι ζυγοί μπορούν να μετρήσουν το βάρος και τη μάζα, αντίστοιχα, αλλά βασίζονται στις ίδιες φυσικές αρχές που διέπουν τις βαρυτικές δυνάμεις στα αντικείμενα. Χρησιμοποιώντας τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, μπορείτε να μετρήσετε τη δύναμη ενός αντικειμένουφάως προϊόν της μάζας τουΜφορές την επιτάχυνσή τουέναχρησιμοποιώνταςF = μα.Επειδή η δύναμη του βάρους ενός αντικειμένουΔτραβώντας προς τη Γη είναι αυτή η δύναμη που χρησιμοποιεί επιτάχυνσησολ, επιτάχυνση της βαρύτητας, μπορείτε να ξαναγράψετε την εξίσωση ωςW = mgγια τη μάζαΜτου αντικειμένου.

Σε πραγματικές εφαρμογές, οι κλίμακες και οι ισορροπίες πρέπει να βαθμονομούνται με βάση την τοποθεσία στην οποία βρίσκονται χρησιμοποιείται επειδή η βαρυτική επιτάχυνση μπορεί να ποικίλει έως και 0,5% σε διαφορετικά μέρη του Γη. Μετά τη βαθμονόμηση της κλίμακας ή της ισορροπίας, η μετατροπή μεταξύ βάρους και μάζας είναι απλή για το επιστημονικό όργανο.

Οι κλίμακες και οι ισορροπίες μπορούν να αθροίσουν αυτή τη δύναμη μαζί με άλλες δυνάμεις, όπως η αλλαγή στο μήκος ενός ελατηρίου σε απόκριση σε ένα βάρος που τοποθετείται στην επιφάνεια του οργάνου. Αυτά τα ελατήρια διαστέλλονται και συμπιέζονται σύμφωνα μεΟ νόμος του Hooke, που σας λέει ότι η δύναμη που ασκεί ένα ελατήριο όπως το βάρος ενός αντικειμένου σχετίζεται άμεσα με την απόσταση που κινείται το ελατήριο ως αποτέλεσμα αυτού.

Σε παρόμοια μορφή με τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, αυτός ο νόμος είναι

για μια εφαρμοσμένη δύναμηφά, η ακαμψία της άνοιξηςκκαι η απόσταση που κινείται το ελατήριο ως αποτέλεσμαΧ​.

Η κλίμακα ελατηρίου μπορεί να είναι τόσο ευαίσθητη και ακριβής για τη μέτρηση των μαζών σε κλάσματα λίβρες. Όταν μπαίνετε σε μια κλίμακα μπάνιου, τα ελατήρια μέσα του συμπιέζονται έτσι ώστε η βελόνα ή ο επιλογέας να περιστρέφεται μέχρι να εμφανιστεί το βάρος σας. Δυστυχώς, οι ζυγαριές ελατηρίου ενδέχεται να υποχωρήσουν καθώς το ελατήριο χρησιμοποιείται συνήθως για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό αναγκάζει την άνοιξη να χάσει την ικανότητά της και να επεκτείνεται και να συστέλλεται φυσικά. Για αυτόν τον λόγο, πρέπει να βαθμονομηθούν κατάλληλα και συνεχώς για να αποφευχθεί αυτό.

Εκτός από το νόμο του Hooke, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τοΤο μέτρο του Young(ή ελαστικός συντελεστής) για τον προσδιορισμό της πίεσης μιας συμβολοσειράς όταν ασκείτε βάρος πάνω της. Ορίζεται ως η αναλογία του στρες προς το στέλεχος, που δίνεται από

για τον συντελεστή του Youngμι, άγχοςϵ("epsilon") και στέλεχοςσ("σίγμα").

Για αυτήν την εξίσωση, η τάση δίνεται ως δύναμη ανά μονάδα εμβαδού και η καταπόνηση είναι η αλλαγή στο μήκος διαιρούμενη με το αρχικό μήκος. Ο συντελεστής του Young μετρά την αντίσταση ενός υλικού να παραμορφώνεται, και τα πιο άκαμπτα υλικά έχουν μεγαλύτερα modulus του Young.

Ο συντελεστής του Young έχει τότε μονάδες δύναμης ανά περιοχή, όπως και η πίεση. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να πολλαπλασιάσετε το συντελεστή Young με την επιφάνεια του ελατηρίου που λαμβάνει το βάρος του αντικειμένου για να αποκτήσει τη δύναμη που ασκείται στο ελατήριο. Αυτή είναι η ίδια δύναμηφάστο νόμο του Hooke.

Οι μετρητές πίεσης που χρησιμοποιούνται στη ζυγαριά μετράνε την αλλαγή στην ηλεκτρική αντίσταση παρουσία του βάρους στην κλίμακα. Το ίδιο το μανόμετρο είναι ένα κομμάτι μετάλλου που περιβάλλει ένα λεπτό σύρμα ή αλουμινόχαρτο διατεταγμένο σε μοτίβο πλέγματος ενός ηλεκτρικού κυκλώματος έτσι ώστε, όταν βιώνει μια δύναμη προς μια κατεύθυνση, η αντίστασή της αλλάζει ακόμη και με μια ακριβή, μικρή ποσότητα ανάλογα με το βάρος.

Όταν το βάρος καθιστά τα μέρη του σύρματος ή του φύλλου πιο τεντωμένα και συμπιεσμένα, η αντίσταση του ηλεκτρικού κυκλώματος αυξάνεται και ο μετρητής τάσης γίνεται παχύτερος και μικρότερος σε απάντηση σε αυτό. Στέλνοντας ένα ρεύμα μέσω του κυκλώματος, οι κλίμακες υπολογίζουν πώς αλλάζει αυτή η αντίσταση λόγω του βάρους για να προσδιοριστεί το βάρος που ασκείται πάνω τους. Η αλλαγή στην αντίσταση είναι συνήθως πολύ λεπτή και περίπου 0,12 Ω, αλλά αυτό δίνει στους μετρητές τάσης ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια στον προσδιορισμό του βάρους.