Весы, прибор для определения массы тел по действующей на них силе тяжести. Весами иногда называют также приборы для измерений др. физических величин, преобразуемых с этой целью в силу или в момент силы. К таким приборам относятся, например, токовые весы и Кулона весы. Последовательность действий при определении массы тел на весах рассмотрена в ст. Взвешивание.

  Весы — один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Простейшие весы в виде равно-плечного коромысла с подвешенными чашками (рис. 1) широко применялись при меновой торговле в Древнем Вавилоне (2,5 тыс. лет до н. э.) и Египте (2 тыс. лет до н. э.). Несколько позднее появились неравно-плечные весы с передвижной гирей (см. Безмен). Уже в 4 в. до н. э. Аристотель дал теорию таких весов (правило моментов сил). В 12 в. арабским учёным аль-Хазини были описаны весы с чашками, погрешность которых не превышала 0,1%. Они применялись для определения плотности различных веществ, что позволяло распознавать сплавы, выявлять фальшивые монеты, отличать драгоценные камни от поддельных и т.д. В 1586 Г. Галилей для определения плотности тел сконструировал специальные гидростатические весы. Общая теория весов была развита Л. Эйлером (1747).

  Развитие промышленности и транспорта привело к созданию весов, рассчитанных на большие нагрузки. В начале 19 в. были созданы десятичные весы (рис. 2) (с отношением массы гирь к нагрузке 1:10 — Квинтенц, 1818) и сотенные весы (В. Фербенкс, 1831). В конце 19 — начале 20 вв. с развитием поточного производства появились весы для непрерывного взвешивания (конвейерные, дозировочные и др.). В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, на транспорте стали применять весы самых разнообразных конструкций для взвешивания конкретных видов продукции (в сельском хозяйстве, например, зерна, корнеплодов, яиц и т.д.; на транспорте — автомобилей, ж.-д. вагонов, самолётов; в промышленности — от мельчайших деталей и узлов в точном приборостроении до многотонных слитков в металлургии). Для научных исследований были разработаны конструкции точных весов — аналитических, микроаналитических, пробирных и др.

  В зависимости от назначения весы делятся на образцовые (для поверки гирь), лабораторные (в том числе аналитические) и общего назначения, применяемые в различных областях науки, техники и народного хозяйства.

  По принципу действия весы подразделяются на рычажные, пружинные, электротензометрические, гидростатические, гидравлические.

  Наиболее распространены рычажные весы, их действие основано на законе равновесия рычага. Точка опоры рычага («коромысла» весов) может находиться посередине (равноплечные весы) или быть смещенной относительно середины (неравноплечные и одноплечные весы). Многие рычажные весы (например, торговые, автомобильные, порционные и др.) представляют собой комбинацию рычагов 1-го и 2-го родов. Опорами рычагов служат обычно призмы и подушки из специальных сталей или твёрдого камня (агат, корунд). На равноплечных рычажных весах взвешиваемое тело уравновешивается гирями, а некоторое превышение (обычно на 0,05—0,1%) массы гирь над массой тела (или наоборот) компенсируется моментом, создаваемым коромыслом (со стрелкой) из-за смещения его центра тяжести относительно первоначального положения (рис. 3). Нагрузка, компенсируемая смещением центра тяжести коромысла, измеряется с помощью отсчётной шкалы. Цена деления s шкалы рычажных весов определяется формулой

  s = k (P_oc / lg),

  где P₀ — вес коромысла со стрелкой, с — расстояние между центром тяжести коромысла и осью его вращения, l — длина плеча коромысла, g — ускорение

  свободного падения, k — коэффициент, зависящий только от разрешающей способности отсчётного устройства. Цену деления, а, следовательно, и чувствительность весов, можно в определенных пределах изменять (обычно за счёт перемещения специального грузика, изменяющего расстояние с).

  В ряде рычажных лабораторных весов часть измеряемой нагрузки компенсируется силой электромагнитного взаимодействия — втягиванием железного сердечника, соединённого с плечом коромысла, в неподвижный соленоид. Сила тока в соленоиде регулируется электронным устройством, приводящим весы к равновесию. Измеряя силу тока, определяют пропорциональную ей нагрузку весов. Подобного типа весы приводятся к положению равновесия автоматически, поэтому их применяют обычно для измерений изменяющихся масс (например, при исследованиях процессов окисления, конденсации и др.), когда неудобно или невозможно пользоваться обычными весами. Центр тяжести коромысла совмещен в этих весах с осью вращения.

  В лабораторной практике всё шире применяются весы (в особенности аналитические) со встроенными гирями на часть нагрузки или на полную нагрузку (рис. 4). Принцип действия таких весов был предложен Д. И. Менделеевым. Гири специальной формы подвешиваются к плечу, на котором находится чашка для нагрузки (одноплечные весы), или (реже) на противоположное плечо. В одноплечных весах (рис. 5) полностью исключается погрешность из-за неравноплечности коромысла.

  Современные лабораторные весы (аналитические и др.) снабжаются рядом устройств для повышения точности и скорости взвешивания: успокоителями колебаний чашек (воздушными или магнитными), дверцами, при открытии которых почти не возникает потоков воздуха, тепловыми экранами, механизмами наложения и снятия встроенных гирь, автоматически действующими механизмами для подбора встроенных гирь при уравновешивании весов. Всё чаще применяются проекционные шкалы, позволяющие расширить диапазон измерений по шкале отсчёта при малых углах отклонения коромысла. Всё это позволяет значительно повысить быстродействие весов.

  В быстродействующих технических квадрантных весах (рис. 6) предел измерений по шкале отклонения коромысла составляет 50—100% от предельной нагрузки весов, обычно лежащей в пределах 20 г — 10 кг. Это достигается особой конструкцией тяжёлого коромысла (квадранта), центр тяжести которого расположен значительно ниже оси вращения.

  По принципу рычажных весов устроено большинство типов метрологических, образцовых, аналитических, технических, торговых (рис. 7), медицинских, вагонных, автомобильных весов, а также весов автоматических и порционных.

  В основу действия пружинных и электротензометрических весов положен закон Гука (см. Гука закон).

  Чувствительным элементом в пружинных весах является спиральная плоская или цилиндрическая пружина, деформирующаяся под действием веса тела. Показания весов отсчитывают по шкале, вдоль которой перемещается соединённый с пружиной указатель. Принимается, что после снятия нагрузки указатель возвращается в нулевое положение, то есть в пружине под действием нагрузки не возникает остаточных деформаций.

  При помощи пружинных весов измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных весов градуируется в единицах массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных весов зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем; всё это снижает точность пружинных весов.

  В крутильных (торзионных) весах, чувствительным элементом служит упругая нить или спиральные пружины (рис. 8). Нагрузка определяется по углу закручивания нити пружины, который пропорционален создаваемому нагрузкой крутильному моменту.

  Действие электротензометрических весов основано на преобразовании деформации упругих элементов (столбиков, пластин, колец), воспринимающих силовое воздействие нагрузки, в изменение электрического сопротивления. Преобразователями служат высокочувствительные проволочные тензометры, приклеенные к упругим элементам. Как правило, электротензометрические весы (вагонные, автомобильные, крановые и т.д.) применяются для взвешивания больших масс.

  Гидростатические весы применяют, главным образом, для определения плотности твёрдых тел и жидкостей. Действие их основано на законе Архимеда (см. Гидростатическое взвешивание).

  Гидравлические весы по устройству аналогичны гидравлическому прессу. Отсчёт показаний производится по манометру, градуированному в единицах массы.

  Все типы весов характеризуются: 1) предельной нагрузкой — наибольшей статической нагрузкой, которую могут выдерживать весы без нарушения их метрологических характеристик; 2) ценой деления — массой, соответствующей изменению показания на одно деление шкалы; 3) пределом допускаемой погрешности взвешивания — наибольшей допускаемой разностью между результатом одного взвешивания и действительной массой взвешиваемого тела;

  4) допускаемой вариацией показаний — наибольшей допускаемой разностью показаний весов при неоднократном взвешивании одного и того же тела.

  Погрешности взвешивания на весах некоторых типов при предельной нагрузке.

 

  * С применением методов точного взвешивания.

 

  Лит.: Рудо Н. М., Весы. Теория, устройство, регулировка и поверка, М. — Л., 1957; Маликов Л. М., Смирнова Н. А., Аналитические электрические весы, в кн.: Энциклопедия измерений контроля и автоматизации, в. 1, М. — Л., 1962: Орлов С. П., Авдеев Б. А., Весовое оборудование предприятий, М., 1962; Карпин Е. Б., Расчет и конструирование весоизмерительных механизмов и дозаторов, М., 1963; Гаузнер С. И., Михайловский С. С., Орлов В. В., Регистрирующие устройства в автоматических процессах взвешивания, М., 1966.

  Н. А. Смирнова.

Рис. 6. Квадрантные весы с проекционной шкалой (а — общий вид, б — схема): 1 — грузоприёмная чашка; 2 — противовес-квадрант; 3 — рычаг, угол отклонения которого измеряется с помощью проекционной шкалы 4, через которую проходит световой пучок 5, проектирующий изображение шкалы на экран 6.

Рис. 8. Схема крутильных (торзионных) весов: 1 — спиральные пружины; 2 — рычаг для помещения нагрузки; 3 — магнитный ускоритель; 4 — стрелка; 5 — шкала.

Рис. 4. Равноплечные двухчашечные микроаналитические весы (предельная нагрузка 20 г): 1 — коромысло; 2 — воздушные успокоители; 3 — механизмы наложения встроенных гирь (от 1 до 999 мг); 4 — экран, на который проектируется шкала отсчёта; 5 — манипулятор, выдвигающий чашку весов в окошко; 6 — перегородка, защищающая коромысло от температурных влияний и воздушных потоков; 7 — встроенные гири, имеющие вид колец.

Рис. 1. Древнеегипетские рычажные весы (гирям придавалась форма животных).

Рис. 2. Схема десятичных весов системы Квинтенца. АОК — рычаг 1-го рода, EDC — рычаг 2-го рода. Гири уравновешивают в 10 раз большую нагрузку при следующих условиях: ОА : ОВ = 10 : 1; CE : CD = OK : OB.

Рис. 5. Схема одноплечных аналитических весов: 1 — коромысло; 2 — встроенные гири; 3 — грузоприёмная чашка; 4 — противовес и успокоитель; 5 — источник света; 6 — проекционная шкала; 7 — объектив; 8 — устройство для коррекции нуля; 9 — экран.

Рис. 3. Схема равноплечных рычажных весов: О — точка опоры коромысла AB; С и P₀ — центр тяжести и вес коромысла со стрелкой; ОС = с — расстояние между точкой опоры и центром тяжести коромысла; Р — вес тела; р — перегрузок, уравновешиваемый смещением центра тяжести коромысла; l — плечо коромысла; r — длина стрелки; h — отклонение стрелки.

Рис. 7. Настольные циферблатные (торговые) весы (а — общий вид, б — схема): 1 — основной равноплечный рычаг; 2 — опорная призма; 3—4 — грузоприемные призмы; 5—6 — стойки для предотвращения опрокидывания чашек; 7 — квадрант; 8 — стрелка; 9 — шкала.