מאזניים

מאזניים הינם מכשיר המיועד למדידת משקלם של חפצים שונים. למאזניים שימושים רבים משחר ההיסטוריה, החל ממסחר, בדיקת טהרן של מתכות וכלה בניסויים בפיזיקה. רב מכשירי המאזניים מודדים את משקל החפץ (הכח אותו מפעיל החפץ) ולא את מסתו. אולם תחת ההנחה שהמדידות התבצעו על פני כדור הארץ ניתן לחשב, בקירוב, את מסת החפץ.

מאזניים פשוטים

Balance_scale.jpg המאזניים הפשוטים והעתיקים ביותר מודדים את משקלו של החפץ על ידי השוואתו לחפצים אחרים, שמשקלם ידוע. החפץ הנשקל מונח על צד אחד של המאזניים ומשקלות שונות מונחות על הצד השני עד אשר המאזניים מגיעים לשיווי משקל. מאזניים כאלו היו נפוצים עוד בבבל ובמצרים העתיקות (בסביבת 2000 לפנה"ס). Doctors_scale.jpg בשלב מאוחר יותר הופיעו מאזניים בעלי אורך זרוע משתנה שהשיגו תוצאות מדויקות יותר ודרשו פחות משקלות שונות לצורך הפעלתם. במאה ה4 לפנה"ס כתב אריסטו את התאוריה המסבירה את פעולתם של מאזניים אלה (עקרון מומנט כוח בפיזיקה). כמו בנדנדה, ככל שהמשקולת תמצא במרחק גדול יותר מהמרכז כך השפעתה תהיה גדולה יותר, משמע ניתן לשנות את אורך הזרוע במקום לשנות משקלות.

בשונה ממכשירים אחרים, המאזניים הפשוטים מודדים את מסתו של החפץ ולא את משקלו. עקרון עבודתם, השוואת המסות, מבטלת את השפעת כח הכובד על תוצאת המדידות ולכן תוצאות המדידות לא ישתנו במעבר לשדה גרביטציה אחר.

מאזני קפיץ

Spring weighing scale.jpg מאזני קפיץ מודדים את מידת התארכותו של קפיץ כדי למדוד את הכח שמפעיל החפץ, אשר נתלה על וו או מונח על משטח תלוי. נתוני הקפיץ ידועים ולכן ניתן להשתמש בחוק הוק כדי לחשב את הכח שמפעיל החפץ מתוך מידת ההתארכות של הקפיץ. אמינותם של מאזניי קפיץ היא בעיתית, משום שקפיצים משנים את התנהגותם עקב שינויי טמפרטורה (מתכווצים או מתרחבים) וכתוצאה מבלאי טבעי (מתעקמים או אף נשברים).

מאזניים אלקטרוניים

Tensoweight1.PNG מאזניים אלקטרוניים מחליפים את המאזניים המכניים, לסוגיהם השונים. יתרונם הגדול של מאזניים אלקטרוניים נעוץ בהקטנה משמעותית או אף העדר של חיכוך, ועקב כך מגביר את דיוק המדידה, גורם לאמינות גבוהה יותר, מהירות מדידה גבוהה יותר ולעתים קרובות גם לעלות כלכלית נמוכה יותר. ישנן כמה טכנולוגיות למדידת משקל בעזרת עקרונות חשמליים:

שימוש באלקטרומגנט אשר מושך כנגד הכח שמפעיל החפץ, המונח על משטח מתאים או מנוף. הזרם החשמלי הזורם דרך האלקטרומגנט (ואשר קובע את עוצמת הכח) משתנה, על ידי מעגל עם משוב שלילי, עד שחיישן מתאים מורה כי המערכת הגיעה לשיווי משקל. בנקודה זו, הזרם יחסי למשקל.

מאזניים טנזומטריים (מהמילה הלטינית 'טנזור' שמשמעה משהו שנמתח) במאזניים אלו מפעיל החפץ לחץ על משטח המוחזק בעזרת כמה קורות. על גבי הקורות מצוי חומר אשר ההתנגדות החשמלית שלו מושפעת מאוד מעיוותים (כפי שניתן לראות באיור). מודדים את השינויים בהתנגדות החשמלית של המערכת בעזרת גשר וויטסטון, ומהם ניתן להסיק לגבי עצמת הלחץ. שיפור אפשרי נוסף הוא להשתמש במדידות זמן של פריקת או טעינת קבל כדי להעריך את ההתנגדות החשמלית. טכנולוגיה זו, של שינוי ההתנגדות, מאוד אמינה והיא הנפוצה ביותר בעולם.

ניתן למדוד שינויים בתדר התהודה של גביש קוורץ המחובר, בצורה מכנית, לחפץ. הכח המופעל משנה את התדר בו פועם הגביש . התקנים מסוג זה נחותים בדיוקם בהשוואה למאזניים טנזומטריים אולם זולים יותר לייצור.

לחלופין, ניתן למדוד שינויים בתדר התנודות של חוט מתכת המחובר לחפץ, בדומה לגיטרה. הדיוק הנמוך יחסית, ההגבלות על צורת העבודה ואורך החיים הקצר הפכו טכנולוגיה זו לנדירה.

מאזניים הידראולים או פניאומטיים

מאזניים הידרוסטטיים מתבססים על החוק הציפה של ארכימדס, לפיו גוף השקוע בנוזל מאבד ממשקלו משקל השווה למשקל הנוזל השווה לו בנפחו. לחלופין, ישנם מאזניים המודדים שינויים בלחץ אוויר (פניאומטיים) או מים (הידראולים) כדי למדוד משקלים, בדרך כלל גדולים.

משקלים גדולים או קטנים מאוד

התפתחות התעשיה הצריכה פיתוח של מאזניים המיועדים למשקלים גדולים יותר (כגון רכבים פרטיים, משאיות או מכולות). בתחילת המאה ה-19 (1818) יוצרו מאזניים בעלי יחס של 1:10 בין העומס והמשקלות, מאזניים בעלי יחס של 1:100 יוצרו ב1831. המשקלים הגדולים הולידו מגוון חדש של בעיות הנדסיות בתכנון המאזניים.

תכנון מאזניים המיועדים למשקלים קטנים שיפעלו בדיוק גבוה (לדוגמה לצורך שקילת חומרים כימיים לתרופות) מסובך גם כן. מאזניים אלו (הנקראים 'מאזניים אנליטיים') הינם מאזניים חשמליים בהם משולב מגוון גדול של מנגנונים נוספים כדי להגדיל את דיוקם ולמנוע הטיות. בין השאר מופעלים במאזניים מסוג זה מנגנוני איפוס וקיזוז מתקדמים.

קישורים חיצוניים

הסבר על פעולתם של "מאזני אמבטיה" (אנגלית)