Весы (приборы)

Весы, приборы, имеющие весьма различное назначение и устройство: чаще всего под весами разумеют прибор, служащий для определения массы или веса тел. Но и здесь бросается в глаза чрезвычайное разнообразие в устройстве и качествах, в зависимости от той специальной цели, для которой предназначен данный прибор. Таким образом, можно различать три главные категории: 1) точные весы, употребляемые при научных исследованиях; 2) торговые и технические весы, имеющие среднюю точность; 3) торговые и технические весы, позволяющие выполнить взвешивание быстро, хотя и с небольшой точностью. Промежуточное место между первой и второй категорией занимают аптекарские весы. Об устройстве весов см. приложение: Весы, их устройство и виды.

Весы, их устройство и виды

Устройство точных весов. Главная часть весов есть так называемое коромысло. Это - симметричное тело, чрез средину которого проходит треугольная призма («нож»), обращенная книзу острым ребром; выступающими из коромысла концами это ребро касается плоской подставки; таким образом, оно служит линией опоры коромысла и осью его вращения; отсюда видно, что коромысло представляет собой не что иное, как равноплечий рычаг. По концам коромысла находятся еще два «ножа», обращенные ребрами кверху; на них навешиваются крючки или пластинки, к которым прикреплены чашки весов.

На рис. 1 дан схематический чертеж коромысла; а, b и c - ребра ножей.

На рис. 2, передающем одну из действительных форм устройства весов, нож, служащий опорой коромысла, обозначен буквой р; коромысло здесь имеет вид удлиненного ромба с вынутой серединой.

Рис. 3 изображает конец коромысла с одной из боковых призм.

Наконец, рис. 4 дает общий вид точных весов.

Весы  строятся так, чтобы ребра трех призм а, b, c лежали в одной горизонтальной плоскости, когда весы не нагружены (рис. 1), и, кроме того, были параллельны друг другу. Длинная стрелка q (рис. 1 и 2), приделанная к коромыслу, дает возможность следить за его качаниями; для этого за нижней оконечностью ее установлена горизонтальная шкала. Чтобы ребра призм не притуплялись от непрерывного движения частей, соприкасающихся с ними, устраивается особое приспособление, называемое арретиром. Это - род рамы, подвижной в вертикальном направлении; будучи подведена под коромысло, она поднимает коромысло с подставки и чашки - с боковых призм. На рис. 2 коромысло изображено в арретированном состоянии; к механизму арретира относятся части, обозначенные буквами g, f, m, k, e.   Призмы и части, соприкасающиеся с их ребрами (подставки, крюки), делаются из весьма твердого материала (закаленной стали, агата, горного хрусталя). Для защиты от пыли и воздушных течений точные весы всегда помещаются внутри стеклянного шкафа (рис. 4), снабженного дверцами (часто опускными).

Теория весов в простейшем ее виде сводится к теории рычага, находящегося под действием трех сил: собственного веса и весов чашек с нагрузками. Эта теория показывает, что для возможности пользоваться весами, коромысло должно находиться в устойчивом состоянии, т. е. точка опоры должна быть выше центра тяжести коромысла. В самом деле, если бы точка опоры совпадала с центром тяжести (безразличное состояние), то при равных нагрузках коромысло во всяком положении оставалось бы в равновесии; при нагрузках же неравных чашка более нагруженная всякий раз падала бы до возможно низкого положения. Если бы центр тяжести коромысла был выше точки опоры (неустойчивое состояние), то весы постоянно перекидывались бы на одну или на другую сторону.

Весы  называются верными, если при равных нагрузках обеих чашек коромысло всегда успокаивается в горизонтальном положении. Теория показывает, что для этого необходимы следующие условия: 1) оба плеча коромысла должны быть равны по длине; 2) они должны быть равны также по весу и по распределению их материала; 3) веса чашек должны быть равны между собой.

Теория, наконец, знакомит нас с условиями, от которых зависит чувствительность весов, т. е. способность их давать отклонение коромысла при малой разнице в весе нагрузок, лежащих на чашках. Если рассматривать коромысло, как тело абсолютно твердое, то чувствительность весов оказывается тем большей, 1) чем меньше расстояние между центром тяжести коромысла и точкой опоры, 2) чем меньше средняя величина площади поперечного сечения коромысла, 3) чем легче материал, из которого сделано коромысло. Ввиду значения первого условия, в весах устраивается приспособление, позволяющее по желанию повышать и понижать центр тяжести коромысла; на рис. 2 роль такого приспособления играет q - гайка, передвигающаяся кверху и книзу вдоль стрелки (заметим при этом, что для перемещения центра тяжести в горизонтальной плоскости служит так называемый «флюгер», отмеченный буквой r на рис. 2). Для того, чтобы удовлетворить второму условию, коромысло делается вырезным (рис. 2, 4, 5); кроме того, ему обыкновенно придают небольшую длину, так как иначе оно стало бы прогибаться.   Наконец, удовлетворяя третьему условию, изготовляют коромысло (хотя и не всегда) из легкого материала, например, из магналия. Изображенное на рис. 5 коромысло весов Сарториуса отливается из алюминия с примесью серебра.

Разновески. Необходимой принадлежностью весов описанного типа являются разновески, т.е. набор гирь определенной массы, из которых при помощи комбинаций можно составлять всевозможные нагрузки. Массы разновесок, принадлежащих одному набору, могут находиться между собой, например, в следующих отношениях: 1:2:2:5:10:20:20:50:100:200:200:500:1000:2000 и т. д. Главное требование, которому должны удовлетворять хорошие разновески состоит в неизменности их массы; с этой целью их делают иногда из материала, отличающегося особенной стойкостью, - из сплава платины с иридием или из горного хрусталя. Весьма употребительны разновески из латуни, позолоченные или никелированные; разновески мельче 1 грамма делаются из платины или алюминия. Вместо самых мелких разновесок употребляются так называемые рейтеры, или ездоки (рис. 7); это - изогнутая платиновая проволока, весом в 1 сантиграмм, служащая для вешания на плече коромысла весов. Если повесим ее, например, на таком расстоянии от точки опоры, которое равняется 0,2 длины плеча, то это по законам рычага равносильно тому, как если бы на соответствующую чашку прибавлен был груз в 0,2 сантиграмма, или 2 миллиграмма. С этою целью плечи коромысла обыкновенно бывают разделены на 10 или 100 равных частей (см. рис. 3).

Взвешивание. Если мы уравновесим на весах какое-либо тело с помощью известного количества разновесок, то вес их равен весу тела; но вес их, представляя собой величину, изменяющуюся с переменой места на земной поверхности (см. вес), сплошь и рядом может оставаться для нас неизвестным; следовательно, останется неизвестным и вес тела. Зато нам известна масса разновесок; и так как в данном месте земной поверхности два тела одинакового веса имеют и одинаковую массу, то становится ясным, что посредством взвешивания мы узнаем массу взвешенного тела. Таким образом, рычажные весы являются инструментом, служащим для измерения масс.

Простейший прием взвешивания состоит в том, чтобы, положив взвешиваемое тело на одну чашку весов, нагрузить другую гирями до приведения коромысла в горизонтальное положение (что указывается вертикальным положением стрелки). Однако, в такой форме этот способ практически почти не применим, потому что при опускании арретира весы всегда начинают качаться; и качания эти настолько продолжительны, что нет возможности ожидать полного успокоения коромысла. Поэтому обыкновенно поступают так: следят за движениями стрелки по шкале (см. выше) и по ее колебаниям на основании некоторых правил высчитывают то положение ее, которое наступило бы при успокоении качаний. Кроме того, существует еще три приема, дозволяющих выполнить взвешивание верно на неверных весах (неравноплечих или с неравными чашками). Это именно: 1) Гауссов способ двойного взвешивания. Тело кладут поочередно на ту и на другую чашку и определяют те две нагрузки, которыми оно уравновешивается; назовем их P и p. Тогда истинная масса тела равняется √Pp; 2) способ Борда, или способ тарирования: положив тело на одну из чашек, уравновешивают его «тарой» (дробью, песком, опилками), положенной на другую чашку; затем снимают тело и заменяют его разновесками до нового равновесия. Ясно, что вес этих разновесок равен весу тела; 3) способ Менделеева, или способ постоянной нагрузки: на одну чашку весов кладут полный набор разновесок в наибольшем количестве, какое выдерживается весами без повреждения, и уравновешивают это тарой на другой чашке; затем, снимая должное количество разновесок, кладут вместо них взвешиваемое тело до восстановления равновесия. Вес тела равняется весу снятых разновесок.

При взвешивании является необходимым соблюдение ряда предосторожностей, из которых главнейшая - следующая: весы должны быть арретированы все время, лишь за исключением тех промежутков, когда наблюдатель следить за качаниями коромысла. Такие обстоятельства, как дыхание наблюдателя или тепловое лучеиспускание его тела, могут иметь влияние на результат взвешивания. В Парижском международном бюро мер и весов весы установлены на особых фундаментах в помещении, поддерживаемом при неизменной температуре; накладывание гирь совершается при помощи особых механизмов; положение равновесия наблюдается в зрительную трубу с расстояния в 4 метра.

При соблюдении всех предосторожностей можно бывает достигнуть чрезвычайно большой точности результата. Так, определяя массу около 1 килограмма, можно сделать это с погрешностью, меньшей 0,1 миллиграмма и даже (в исключительных случаях) меньшей 0,005 миллиграмма, что составляет соответственно одну десятимиллионную и одну двухсотмиллионную долю измеряемой величины. Никакое другое физическое измерение не может быть осуществлено с такой степенью точности.

Всякое тело, окруженное воздухом, теряет, по закону Архимеда, в своем весе столько, сколько весит  вытесняемый им воздух, поэтому всякий результат непосредственного взвешивания нуждается в соответствующей поправке, которая обыкновенно составляет несколько десятитысячных долей определяемой величины. Иногда, чтобы избегнуть необходимости этой поправки, производят взвешивание в безвоздушном пространстве.

Другие типы весов.

Весы  гидростатические (рис. 6) отличаются от вышеописанных весов только тем, что у них одна из чашек значительно короче другой и имеет крючок на нижней стороне. Они употребляются для взвешивания тел в жидкости, при определении удельного веса.

Весы  Мора (рис. 7) служат для быстрого определения удельного веса жидкостей. К одному концу коромысла этих весов подвешена чашка В; к другому - запаянная стеклянная трубочка с ртутью A, вес которой равен весу чашки. Плечо коромысла, к которому привешена трубочка А, разделено по длине на 10 равных частей. Под буквой P указана (в увеличенном масштабе) форма разновесок-ездоков, изготовляемых из латунной проволоки. Из них две имеют вес, равный весу воды, вытесняемой грузиком А, третья имеет вес, в 10 раз меньший, четвертая вес в 100 раз меньший сравнительно с двумя первыми. Желая определить вес какой-нибудь жидкости, наливают ее в стакан С, затем опускают туда грузик А и навешивают разновески на разделенное плечо так, чтобы коромысло оставалось в горизонтальном положении. Если при этом, например, первая разновеска висит на 7-ом делении, третья на 2-ом делении, а четвертая на 4-ом, то удельный вес исследуемой жидкости равен 0,724. Несколько измененная форма весов Мора, называемая весы Вестфаля, изображена на рис. 8.

Здесь чашка В заменена противовесом К; грузик А представляет собой термометр, которым определяется температура жидкости. Вместо стрелки служит указатель J.

Пружинные весы, в отличие от рычажных, указывают, в сущности, вес тел; они представляют собой частный случай динамометра (см.). К этому типу относятся также так называемые микровесы, служащие для измерения очень малых грузов. Микровесы Сальвиони состоят из куска стеклянной нити, закрепленной на одном конце; благодаря своей твердости нить сохраняет горизонтальное положение. Если же к свободному концу нити привесить испытуемое тело, то нить согнется; гнутие наблюдается в микроскоп, и по величине гнутия судят о весе тела. Этим прибором Сальвиони доказал, что мускус убывает в весе при своем испарении.

На рис. 9 изображены микровесы по Нернсту.

Весы  торговые и технические часто отличаются от описанных выше точных весов только меньшей чувствительностью и, в связи с этим, меньшей сложностью устройства (отсутствие арретира, рейтера футляра). Но существуют и своеобразные формы таких приборов. Из них весы Роберваля (рис. 10) общеизвестны.

Их коромысло АВ помощью шарниров соединено с вертикальными стержнями АА' и ВВ', а эти, в свою очередь, соединены с концами рычага А'В', так что получается фигура параллелограмма АВВ'А'. Вертикальные стержни поддерживают чашки. По причине трения в сочленениях чувствительность таких весов невелика.

Весы  для писем изображены на рис. 11. Они представляют собой ломаный рычаг с чашкой для взвешиваемого предмета на одном конце и с противовесом и указателем на другом конце; указатель, останавливаясь против того или иного деления заранее прокалибрированной шкалы, прямо показывает вес предмета в граммах. Такие весы особенно удобны для быстрой сортировки различных предметов по известным классам.

Римские весы (рис. 12) известны с глубокой древности. Здесь взвешиваемое тело висит на коротком плече АС рычага, имеющего точку опоры в С; по другому плечу передвигается груз Q до тех пор, пока коромысло не примет горизонтального положения. Деления, нанесенные на длинном плече, показывают, во сколько раз взвешиваемое тело Р тяжелее груза Q.

В безмене, или скандинавских весах (рис. 13)противовес t укреплен неизменно, а перемещается точка опоры рычага (представленная петлей на рисунке). У нас в торговле запрещено употребление безмена; предпочтительные в сравнении с ним римские весы допускаются лишь в разносном торгу.

Устройство десятичных весов изображено схематически на рис. 14 и в натуральном, несколько разобранном виде на рис. 15. Коромысло ABCD имеет точку опоры в В; к А привешена чашка S для гирь, к плечу BD в точках С и В привешены две тяги СЕ и DD'; из них DD' внизу сочленена с длинным плечом рычага 2-го рода B'D' имеющего точку опоры в В'; на короткое же плечо В'С' этого рычага действует часть веса взвешиваемого груза, Q, лежащего на платформе EF, сочлененной с тягой СЕ. Десятичные весы строятся так, чтобы длина АВ была в 10 раз больше длины ВС, и, кроме того, чтобы существовала пропорция ВС:BD = В'С':В'D' теория показывает, что в таком случае, при равновесии весов, гири, положенные на чашку S, составляют по весу десятую долю груза Q.  Подобно этому строятся сотенные весы для взвешивания очень больших грузов; в них АВ=100ВС и вес гирь составляет сотую долю веса груза. Составной частью подобных весов нередко является подвижная гиря, как это имеет место в римских весах. Устраиваются особые весы для взвешивания грузов в несколько тысяч пудов, как, например, железнодорожных локомотивов; фирма Фербенкс в Нью-Йорке строит весы для взвешивания судов в шлюзах.

В заключение упомянем о нескольких приборах, называемых также весами, но служащих не для взвешивания в собственном смысле. Весы  электромагнитные и электродинамические служат для измерения силы электрического тока. Принцип устройства их заключается в следующем: на одном конце коромысла прикреплен магнит или катушка, по которой проходит ток; поблизости отсюда находится другая катушка, по которой также проходит ток; возникающее притяжение или отталкивание коромысла уравновешивается грузами, накладываемыми на чашку, привешенную к другому концу коромысла. Количеством этих грузов определяется величина притяжения или отталкивания, а отсюда делают заключение о силе испытуемого тока. Существует немало разновидностей приборов этого рода.  Магнитные весы служат для измерения магнитных сил или магнитных проницаемостей.  О крутильных весах см.

А. Бачинский.