מאזניים

מאזניים הם מכשיר מדידה המיועד למדידת משקל של חפצים שונים, ובהם משקל גוף האדם. למאזניים שימושים רבים משחר ההיסטוריה, החל ממסחר, בדיקת טהרן של מתכות וכלה בניסויים בפיזיקה בכימיה ובמדעים אחרים. תוצאת המדידה במאזניים מוצגת כמסה (ביחידות קילוגרם או גרם), אף שכמעט כל סוגי המאזניים מודדים למעשה את משקל החפץ (הכוח אותו מפעיל החפץ, הנמדד ביחידות ניוטון) ולא את המסה שלו. אולם תחת ההנחה שהמדידות התבצעו על פני כדור הארץ, היחס בין המשקל והמסה הוא בקירוב קבוע (תאוצת הכובד, g) וניתן לתרגם את המשקל הנמדד למסה. מאזניים שולחניים עם משקולות מאזניים שולחניים עם סקאלת סרגל להשוואה עם משקולות מאזני דיוק, שהיו נפוצים בישראל במשך עשרות שנים. מאזניים שולחניים עם סקאלת מחוג להשוואה עם משקולות מאזני קפיץ פשוטים, החפץ נתלה על הוו מאזניים אנליטיים חשמליים מאזני תינוק הכוללים סרגל למדידת גובה מאזניים פשוטים עתיקים מודדים את משקלו של החפץ על ידי השוואתו לחפצים אחרים, שמשקלם ידוע. החפץ הנשקל מונח על צד אחד של המאזניים ומשקולות שונות מונחות על הצד השני עד אשר המאזניים מגיעים לשיווי משקל. מאזניים כאלו היו נפוצים עוד בבבל ובמצרים העתיקות (בסביבת 2000 לפנה"ס). בשלב מאוחר יותר הופיעו מאזניים בעלי אורך זרוע משתנה שהשיגו תוצאות מדויקות יותר ודרשו פחות משקולות שונות לצורך הפעלתם. במאה ה-4 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 משקולות. כיוון שמאזניים פשוטים משווים את המשקל של החפץ הנמדד למשקלי ייחוס, התוצאה המתקבלת אינה תלויה בתנאי הסביבה כמו טמפרטורה ותאוצת הכובד, ולכן ניתן להגיע לדיוק גבוה בחישוב המסה. 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. למאזני קפיץ יש דיוק נמוך, משום שקפיצים משנים את התנהגותם עקב שינויי טמפרטורה (מתכווצים או מתרחבים) וכתוצאה מבלאי טבעי (מתעקמים או אף נשברים). 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 ולעיתים קרובות גם לעלות כלכלית נמוכה יותר. ישנן כמה טכנולוגיות למדידת מסה בעזרת עקרונות חשמליים: שימוש באלקטרומגנט אשר מושך כנגד הכוח 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 ויטסטון, 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 הידרוסטטיים (הומצאו על ידי גלילאו גליליי) 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 (הידראוליים) כדי למדוד משקלים, בדרך כלל גדולים. התפתחות התעשייה הצריכה פיתוח של מאזניים המיועדים למשקלים גדולים יותר (כגון כלי רכב פרטיים, משאיות או מכולות). בתחילת המאה ה-19 (1818) יוצרו מאזניים בעלי יחס של 1:10 בין העומס והמשקולות, מאזניים בעלי יחס של 1:100 יוצרו ב-1831. המשקלים הגדולים הולידו מגוון חדש של בעיות הנדסיות בתכנון המאזניים. גם מאזניים המיועדים למשקלים קטנים שיפעלו בדיוק גבוה (לדוגמה לצורך שקילת חומרים כימיים לתרופות) דורשים תכנון מיוחד. מאזניים אלו (הנקראים "מאזניים אנליטיים") הם 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, והמדידה מתבצעת במרחב סגור על מנת למנוע השפעה של תנועת אוויר. הסבר על פעולתם של "מאזני אמבטיה" (אנגלית) World's Heaviest Weight, סרטון באתר יוטיוב (אורך: 0:57) המאזניים הכבדות בעולם מאזניים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)