称重器,天平

在科学和工程中,物体的重量是由于重力作用在物体上的力。
一些标准教科书将重量定义为矢量,即作用在物体上的重力。另一些人将重量定义为标量,即重力的大小。还有一些人将其定义为抵消重力作用的机构施加在物体上的反作用力的大小:重量是由弹簧秤等测量的量。因此,在自由落体状态下,重量将为零。在这种重量意义上,地球上的物体可以是失重的:忽略空气阻力,著名的苹果从树上落下,在艾萨克·牛顿附近与地面接触的过程中,将是失重的。
重量的计量单位是力,在国际单位制(Si)中是牛顿。例如,质量为1千克的物体在地球表面上的重量约为9.8牛顿,在月球上的重量约为其六分之一。尽管重量和质量在科学上是不同的量,但这两个术语在日常使用中经常相互混淆(即,将以磅为单位的力重与以千克为单位的质量进行比较和转换,反之亦然)。
在阐明各种重量概念的过程中,进一步的复杂性与相对论有关,根据相对论,引力被建模为时空弯曲的结果。在教学界,半个多世纪以来,关于如何定义学生的体重一直存在着相当大的争论。目前的情况是,多套概念共存,并在其不同的语境中找到用途。
在操作定义中,物体的重量是通过称它的重量的操作所测量的力,是它施加在它的支撑物上的力。因为W是地心作用在物体上的向下的力,并且物体上没有加速度,所以物体上的支撑存在一个相反且相等的力。因为作用力和反作用力数值相同,方向相反,所以它也等于物体对其支撑物所施加的力。这可能会产生相当大的差异,这取决于细节。例如,自由落体中的物体在其支撑物上施加很小的力,这种情况通常被称为失重。然而,根据重力定义,自由落体不会影响重量。因此,有时通过要求对象处于静止状态来细化操作定义。然而,这提出了定义“静止”的问题(通常通过使用标准重力暗示相对于地球静止)。在操作定义中,静止在地球表面的物体的重量由于地球自转产生的离心力的作用而减轻。
通常给出的操作定义并不明确排除浮力的影响,当物体浸入流体(如空气或水)中时,浮力会降低物体的测量重量。因此,漂浮的气球或漂浮在水中的物体可以说重量为零。
秤或天平是测量重量或质量的装置。这些也被称为质量秤,重量秤,质量天平,重量天平。
传统的秤由两个盘子或碗组成,悬挂在离支点相等距离的地方。一块板承载未知质量(或重量)的物体,而已知质量的物体被添加到另一块板上,直到达到静态平衡并且板水平,当两块板上的质量相等时,就会发生这种情况。完美的尺度是中性的。弹簧秤将利用已知刚度的弹簧来确定质量(或重量)。根据弹簧的刚度(或弹簧常数),悬挂一定的质量将使弹簧拉伸一定的量。物体越重,弹簧伸得越长,如胡克定律所述。还存在利用不同物理原理的其他类型的标度。
一些天平可以校准为以力(重量)单位(如牛顿)读数,而不是以质量单位(如千克)读数。秤和天平在商业中广泛使用,因为许多产品都是批量销售和包装的。
天平(又称天平秤、游梁天平和实验室天平)是最早发明的质量测量仪器。在其传统形式中,它由一个带有等长臂(横梁)的旋转水平杠杆和一个悬挂在每个臂上的称盘组成(因此称重仪器的复数名称为“秤”)。将未知质量放置在一个盘中,并将标准质量添加到另一个盘中,直到梁尽可能接近平衡。在精密天平中,通过沿刻度尺移动的滑动质量的位置来更精确地确定质量。从技术上讲,天平比较的是重量而不是质量,但在给定的引力场(如地球引力)中,物体的重量与其质量成正比,因此天平使用的标准质量通常以质量单位(如G或kg)表示。
与基于弹簧的天平不同,天平用于精确测量质量,因为其精度不受局部重力场变化的影响。(例如,在地球上,不同位置之间的差异可达±0.5%。[8])移动天平引起的引力场强度的变化不会改变测量的质量,因为梁两侧的力矩受到同等影响。天平将提供在经历恒定重力或加速度的任何位置处的质量的精确测量。
非常精确的测量是通过确保天平的支点基本上是无摩擦的(刀口是传统的解决方案)来实现的,通过将指针连接到横梁上来放大与天平位置的任何偏差。并且最后通过使用杠杆原理,该杠杆原理允许通过小质量沿着梁的测量臂的移动来施加分数质量,如上所述。为了获得最大精度,需要考虑空气中的浮力,其影响取决于所涉及的质量密度。
铝制,大规模生产的天平秤(杆秤)在中国各地销售和使用:天平秤可以倒置,并由用户右手下方的较大环握住,以产生更大的杠杆作用,用于更重的负载(中国海南,2011年)
为了减少对大参考质量的需要,可以使用偏离中心的梁。具有偏心光束的天平几乎可以与具有中心光束的天平一样精确,但是偏心光束需要特殊的参考质量,并且不能像中心光束天平那样通过简单地交换盘的内容来本质地检查精度。为了减少对小刻度参考质量的需求,可以安装一个称为砝码的滑动砝码,以便它可以沿着校准刻度定位。砝码进一步增加了校准程序的复杂性,因为砝码的精确质量必须调整到梁的精确杠杆比。
为了更方便地放置大而笨重的负载,平台可以在悬臂梁系统上浮动,该悬臂梁系统将成比例的力带到突铁轴承上;这将拉动Stilyard杆,以将减小的力传递到尺寸合适的梁上。
人们仍然可以在容量为500公斤的便携式梁式天平中看到这种设计,这种天平通常用于没有电力的恶劣环境中,也可以在轻型机械浴室秤(实际上内部使用弹簧秤)中看到这种设计。额外的枢轴和轴承都降低了精度并使校准变得复杂;在通过调整平衡梁和砝码来校正跨度之前,必须校正浮子系统的转角误差。
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