質問: 理科の実験で使われる、左右の腕の長さが等しいさおの両端に皿が設けられた、重さをためるための天秤を何という?
回答: 上皿天秤

タイトル: 上皿天秤
上皿天秤(うわざらてんびん)は、測定対象物を載せる皿が竿の部分よりも上にある形式の天秤(天秤ばかり)。天秤は重力方式と電子方式(電子天秤)に分けられる。上皿天秤は重力方式の天秤のうち上皿方式の天秤の一種である(上皿方式の天秤には上皿天秤と上皿直示天秤があり厳密には分けられる)。本来、天秤の測定対象物を載せる皿は竿の両端に吊り下げる方式が一般的だったが、操作性が悪いため竿の上部に皿を載せるようにしたのが上皿天秤である。上皿天秤はあまり精度を必要としない測定や試料の計量など、単に2つの物体の重さの確認や調整に用いられる。ただし、電子技術の普及により電子天秤が多く使用されるようになっている。

タイトル: 天秤ばかり
天秤ばかり(てんびんばかり、英語: balance, balance scale)とは、質量計器の一種。てこの原理を利用して、質量を量りたい物体と、錘(おもり)とをつりあわせることによって、物体の質量を測定する器具(秤)をいう。天秤による測定の基準となる錘を分銅という。ただし、上記の古典的な天秤ばかりとは異なる電子天秤もある。

タイトル: 上皿天秤
上皿天秤の竿または梁(beam)は、表に出ている一本のほかに、台座の中にもそれと平行な竿が取り付けてあって、それらを両端の皿(上皿、計量皿)を垂直に支えている支持棒によって結合することで、リンク機構(平行四辺形)を形作っている(ロバーバル機構)。この構造のおかげで、天秤の竿が傾いても竿に加わる両端の力(重力)が平行になる。分銅と測定物の質量が同じである場合、皿のどの位置に置いても釣り合いが取れる。

タイトル: 上皿天秤
上皿天秤は、質量を量る目的では使われなくなってきているが、遠心分離機にかける前にバランスを取るために用いるには電子天秤より便利であるため、現在も多くの実験室で利用が認められる。質量を量る目的には、デジタル式の直示天秤や電子天秤が便利であり、量り売りの店舗や研究所、試験所、大学等の教育機関における学生実験では、こちらのはかりの方が多数普及している。上皿天秤では最初の重りで重力が不十分な場合、分銅を追加して棹にかかる力を増加させるが、電子天秤の場合は最初の重りは存在するものの、分銅で重力を追加するのではなく、コイルに流れる電流と磁石との電磁力で力を追加して天秤をつりあわせる仕組みである。これも使用前の較正は必要であるが、ボタンを一押しする程度ですむので上皿天秤よりはるかに容易である。

タイトル: 天秤ばかり
一般的な辞典などで「天秤」という言葉を引くと、大抵この仕組みの天秤ばかりについての説明が書かれているが、天秤ばかりといった場合、このような簡単な仕組みのものだけではなく、ここから派生したさまざまな質量測定器具も含む。原始的な釣り下げ天秤は、測定物と分銅を竿についた紐に直接釣り下げる、あるいは紐の先に釣った皿に載せて測るが、特に皿の直径より大きな対象物だと釣紐が作業の邪魔になる点を改良し、シーソー状の構造上に計測対象と分銅を置いて用いる、上面に障害がない上皿天秤が開発された。

タイトル: 天秤ばかり
天秤ばかりの中で最も簡単なものは、一本の棒の真中を支えて支点とし、その両側の支点から等しい距離にある点に、それぞれ質量を測定しようとする物体と、あらかじめ重さの分かっている分銅とをぶら下げ、分銅を増減して釣り合わせることによって、物体の質量を測定するものである。この場合は、釣り合ったときの分銅の重さと、被測定物の重さが等しくなるので、ぶら下げた分銅の重さを足せば物体の重さが分かる。上では「重さ」という語を使っているが、実際には天秤ばかりで量るのは重さではなく、重力加速度に影響されない質量である。天秤の両側のモーメントを釣り合わせると、両側の重力加速度が打ち消し合うので、その場所の重力場の強さは測定結果に影響しない。なお、電子部品を用いて精密な測定を行う「電子天秤」と呼ばれるはかりがあるが、これが量るのは質量ではなく、重力加速度に依存した「重量」である。

タイトル: 天秤ばかり
確度を高め、感量を下げるにはこの誤差を減らす必要がある。特に精密な測定を行う天秤では竿を180度回転して左右を入れ替えて測定しその測定結果の差から中央値を正しい測定値とする。複数回測定して統計学的処理により精度を上げる方法も用いられた。さらに大型でかさのある荷を扱うため、被測定荷台を片持ち梁の途中に乗せた天秤ばかりもある。この梁が動いて適当な大きさの別の棹に小さい力を伝える。今日でも、電気が使えない過酷な環境下で用いられる500キログラム容量の携帯型天秤を見ることができる。しかし、こうして軸が増えることによって精度は下がり、校正はより複雑になる。このような方式は特に高価な設計でない限り、精度は最大容量の1万分の1程度が普通である。複数の皿を持つ計量天秤は工場や商店で多く使われていた。例えばネジ1本を x1の皿に載せると x10 の皿に同じネジ10本を載せると平衡状態になる。

タイトル: 上皿天秤
上皿天秤による測定には軽重それぞれ一定の重量を持つ数個の分銅(組分銅)を用いる。物質の質量を測定する場合は、左側に被測定物をのせ、右側に分銅を載せる。左利きの場合は逆にしてもよい。測定物の質量が未知である場合は、組分銅のうち軽い分銅から徐々に分銅の重量を増してゆく。したがって、分銅の重量を増加させてゆくときは分銅の載せる順番を考慮して載せる分にほぼ見合う分だけ分銅を除いてから分銅を載せる必要がある。測定物の質量がおおよそ判明している場合は、その試料の質量以下で最大の分銅から初め、徐々に小さい分銅を追加する。このようなプロセスを、天秤がつりあうまで繰り返すことによって、右側の皿の上の分銅の質量の合計が、被測定物の質量となる。この時、効率を求めて重い分銅から始めてしまうと天秤の急激な傾がりに繋がり、支点で棹を支える刃(Edge)を欠けさせたり、潰したりして測定精度を損なう原因になる。

タイトル: 天秤ばかり
広義の天秤には重力方式と電子方式(電子天秤)がある。重力方式の天秤は構造によって等比方式、定感量方式、上皿方式に分けられる。代表的な天秤は竿の中央に支点があり(等比)、一方に測定対象物、もう一方に分銅を載せて釣り合ったときの分銅で質量を測定するものである。皿は竿の両端に吊り下げる方式が一般的だったが操作性が悪いため竿よりも上部に皿を載せるようにしたのが上皿天秤である。また、1つ分銅を動かすことで比較的狭い範囲の質量を測定する目的または竿の傾きで簡単に重さが分かるように竿の中央に支点がない形式(不等比)の天秤もある。現代において広く使われている重力方式の天秤は18世紀にラムスデンによって製作された等比天秤と、ボックホルフの定感量天秤の原理をメトラーが製品化した不等比天秤である。電子天秤は電子技術が多く使用されるようになって出現した計器で、零位方式、力測定方式、偏差方式に分けられる。

タイトル: 秤
秤、はかり(はかり、英語:weighing scale、weighing instruments、scale、scales)とは、物体の質量を測定する器具である。質量を測るための器具であるが、同時に密度が一定の物質の場合は、そこから体積を計算によって求めることも可能な道具である。一般に秤は天秤ばかり(balance)とばねばかり(spring balance)の二つに分けられる。天秤ばかりはてこと重りを利用することで、重力の大きさに影響されずに「質量」を測定するものであり、ばねばかりは重力作用とフックの法則からばねの伸び具合(→弾性)によって力を検出しこれを通して、やはり質量を計測するものである。

タイトル: 天秤ばかり
分銅と天秤ばかり本体は分離せずに保管しておくべきである。小さな分銅を竿上に移動させて秤量する精密天秤もある。精密天秤ではガラスケースを開かずに外部からこの分銅を竿上で移動できる構造に作られる。体重計など比較的確度・精度とも要求が低い天秤においては主分銅を竿の端に吊下げておよそ平衡に近づけ、さらに竿上の分銅を摺動して平衡点を求め、主分銅に示されている値と摺動分銅の位置にある値を合計して被測定物の質量を読み取る。この方式の天秤はかりは電子式秤が一般化する以前には金属・氷・肉・魚・野菜などの商取引に使用され、どこでも見かけるはかりの形式であった。測定質量はさおに刻まれた目盛りのどの位置に分銅を合わせたときに釣り合うかを読み取ることによって測定できる。このような形の天秤ばかりは、古くは体重計などとして広く用いられていた。天秤竿はいかに正確に中央を求めても誤差は生じる。

タイトル: 上皿天秤
物質を量り取る場合は、左側に量り取りたい量とおなじ重さの分銅をあらかじめ載せておいて、右側に量り取りたいものを徐々に載せていく。このとき、天秤ばかりが動き出すまでは比較的大雑把に載せていってよいが、動き出してからは微量ずつ加えるようにする。多すぎた場合は取り除くことになるが、薬品などの場合は純度を保つため取り除いたものを元に戻さないほうが良いとされる場合が多い。上皿天秤は非常に精密な測定器具であり、使用する際はその前に調整をしてから用いる。調整は螺子によって行う。中央で調節するものと左右の上皿の下部にある螺子で調節するもの(天秤の両脇、皿の下にあたる部分に微小な調整用の錘が備え付けられており、螺子によって微動調整が出来るようになっている)がある。これを調整することによって天秤の釣り合いをあらかじめ取っておく。

タイトル: 天秤ばかり
多くは x50 x100などの皿が一つの竿に吊り下げられている。天秤ばかりの能力は、感量又は目量及びひょう量によって示される。ほとんどの国では商用の秤の設計と使用が規制されている。このために、新しい設計を導入すると費用の高い規制のハードルを越えなければならないので、秤は他のテクノロジーに比べて遅れがちである。しかし、最近ではデジタル質量計が導入される傾向にある。デジタル質量計は、実際にはひずみ計であり、専用のアナログ変換機とネットワークが組み込まれている。この設計により、苛酷な環境下で20ミリボルト信号を伝送することに付随する問題を減らしている。政府の規制は、認可を受けた機関で定期的に検査を受けることを要求しており、そのときの校正記録は保存される。体重計のような商用でない秤は、「商用不可」のラベルを付けることが要求されている。地球上の重力は場所によって0.

タイトル: 天秤棒
天秤棒(てんびんぼう、英語:carrying pole、shoulder pole)とは、第一義に、両端に重量物をぶら下げたり、たくさんの軽量物を取り付けたりして、肩に担いで運搬することを目的に作られた棒。天秤と同様、平衡を保ちやすいように作られている。極めて古い時代から全世界に見られる人力運搬用の民具である。天秤や天秤状の物の横棒は、天秤棒と呼ばれることも多い(後述)。このほか、てこの原理を利用した単純機械である「天秤押し」の、天秤状の部分、すなわち、支点・作用点・力点を持つ部品としての長い棒の呼び名でもある(後述)。

タイトル: 天秤 (流体力学)
天秤(てんびん、balance /wind-tunnel balance)は流れの中の物体が流体から受ける力を測定する装置である。風洞実験で模型に働く力の測定によく使われる。幾つの力の成分を測定するかにより、3分力天秤、6分力天秤といった区別がある。また物体を支持する方式には、吊り下げ方式、ストラット方式、スティング方式がある。

タイトル: 直示天秤
天秤または天秤ばかりは、てこを応用して力点または作用点の片方に測定したい試料を、他方には基準となる分銅を載せて、釣り合いがとれたときの分銅の質量から試料の質量を求める計測器である。古典的な天秤は手動で分銅を選択しながら釣り合う分銅の量を定めるものであり手動天秤と呼ばれる。手動天秤を自動化したものが直示天秤だが、そのほとんどの装置は不定比定感度型である。不定比とは支点から試料への距離と分銅への距離が等しくないことを意味し、定感度とは支点にかかる力が試料によらず一定であることを意味する。定感度型では試料皿と同じ側にあらかじめ多数の分銅を備えておき、反対側には一定質量の固定錘を備えておく。試料を載せたとき、試料皿側の分銅のいくつかを取り除いて釣り合わせる。支点にかかる力が変わると材料の変形や摩擦力の変化などにより感度が変わるが定感度型にはこのような誤差が生じない。

タイトル: 電子天秤
電子天秤(でんしてんびん、英語:electronic scale、electronic analytical scale)は質量を測定するはかりの一種であり、現在分析化学での質量測定はほとんど電子天秤によって行われている。古典的な天秤または天秤ばかりは、てこを応用して力点または作用点の片方に測定したい試料を、他方には基準となる分銅を載せて、釣り合ったときの分銅の質量から試料の質量を求める計測器であった。電子天秤は雑多な操作を必要とせず、測定する物体を乗せるだけですぐに重さの数値が得られるなど、その操作性の良さから従来の上皿天秤や直示天秤に取って代わっていった。

タイトル: 飯盛挺造
飯盛が考案した微量天秤は、従来の静止質量を測定するだけのものと大きく違っていた。その特徴はこの微量天秤によりこれ以後、密度、原子量、吸着、吸収、膨張係数、磁化率、蒸気圧、浸透圧、表面張力、粘度、粒度分布、化学平衡、反応速度、などの研究が容易に行なわれるようになった。上図において左側 (Fig. 1) が天秤本体を示し、右側 (Fig. 2) がシステム全体を示している。Fig.2 の中央にあるガラス鐘 G の中に天秤本体が収められている。 天秤の竿は、長さ8センチメートル、太さ1ミリメートルの両端を熔封したガラス管でできている。中刃 m は、良く研いだカミソリ片で、封蝋で竿の中心に取り付けてある。中刃 m は、垂直な真鍮製の柱 M の上に取り付けてある刃受けの上に置かれている。この真鍮製の柱は2つのネジで小さな台 T に固定してある。

タイトル: 天秤ばかり
5%の範囲で変動しているので、商用目的の秤の校正では質量に対する重さの差の問題が発生する。伝統的な天秤ばかりは、本質的に標準おもりの質量を量ることができるが、近代的な電子質量計は下向きの力を計っているだけなので、場所によって異なる重さを示すことになる。この場合、正確な重さを測定するためには、設置した場所ごとに校正をしなければならない。

タイトル: 分銅
理科の実験で用いられる上皿天秤の分銅は、100ミリグラムから50グラムまでのものが多いが、上皿天秤の感度は0.1グラム以下であり、10ミリグラムの分銅もある。

タイトル: 天秤ばかり
精密天秤では支点は鋭い刃物状(ナイフエッジ)に作られる。支点のナイフエッジが乗る台部分は硬く精密な平面が用いられる。ナイフエッジが鋭いほど感量は小さくなるが、一方耐荷重は小さくなり秤量は小さくなる。ナイフエッジの鋭い接触端の変形や摩耗を防ぐために精密天秤では秤量する際にガラスケースの外にあるつまみを回すことによって初めて各支点が接触する構造となっている。被秤量物や分銅を秤量皿に置くには必ず各支点の負荷を外してから行う。天秤の竿が安定して平衡状態になり、秤量できるためには、竿の支点は秤量皿の吊り下げ点よりもわずかに高くなければならない。両点が同じ高さであれば竿は平衡状態にあっても水平に静止するとはかぎらない。竿の支点が秤量皿の支点よりも低い場合には竿は平衡点を持たない、平衡時にも左右いずれかに傾いて停止する。竿の支点と秤量皿の吊り下げ支点の高さの差は感量に影響する。

タイトル: ワット天秤
ワット天秤 (ワットてんびん、英: watt balance) またはキブル天秤(キブルてんびん、Kibble balance)は、試料の重さを、電流および電圧を用いて非常に精密に測定するための電気力学的重量測定装置である。質量の単位であるキログラムを電子的単位に基づいて、いわゆる「電子的」キログラムもしくは「電気的」キログラムとして再定義することを目指して開発された計量学装置である。レゴで作られたものも存在し、また2023年に東京大学の入学試験にも出題されたことで話題になった。

タイトル: 天秤ばかり
精密天秤の分銅は、汚れの付着や錆び(酸素等の吸着)による質量の変化を避けるため、素手では絶対に取り扱ってはいけない。分銅にはピンセットが付属しているのでこれを使わなければならない。特に精密な分銅は金メッキを施され酸化の影響を受けにくいように作られる。たとえば人間の体重など、相応の質量がある物体を測定対象とする場合、それと同じ重さの分銅では取り扱いが大変である。このような場合は、てこの原理により、分銅や物体が天秤に与える回転力(トルク) 力のモーメント)は、支点との距離に比例することを利用し、分銅を載せる側の支点からの距離を、物体と支点との距離よりも大きくとればよい。この形式の天秤はかりに使う分銅には例えば1/10などと、その比率が記されている。天秤の感量を小さく(精度を高く)するためには 各支点の摩擦が少ないことが条件である。安価な天秤はかりでは楔状の支点が用いられる。

タイトル: 天秤棒
てこの原理を利用した単純機械である天秤押しの部品としての天秤棒は、天秤部分、すなわち、両端近くに力点・作用点・支点を持つ丸太棒であり、棒、竿、丸太棒、天秤棒などと呼ばれる。天秤押しは、漬物の重しの加重に用いられる。その方法とは、壁に固定された横棒の真下に漬物樽を設置して、押し蓋の上に太短い丸太を置き、長さ4 - 5m程度の天秤棒の一端を丸太の上に掛かるように差し込んで、長く伸びた一方の端に石などでできた1個15kg程度の重しを複数個か、あるいは、決まった重さの1個をぶら下げる(一例として総重量300kg)というものである。これによって、重しのある位置が力点、樽上の蓋と天秤棒との接点が作用点、横棒と天秤棒との接点が支点となって、重しの重量のおよそ8 - 10倍の加圧が可能となり、樽内には300 - 500kg程度の圧力が掛かるという。

タイトル: 直示天秤
直示天秤(ちょくしてんびん)は手動天秤における分銅調節を自動化し、試料の質量をデジタル表示できるようにした装置であり、1945年にエアハルト・メトラーにより発表されたと言われる。日本では島津製作所が1948年に発表したという。それまで分析化学をはじめ化学や薬学の分野で広く使われていた上皿天秤に置き換わっていったが、最近では電子天秤に取って代わられつつある。