天秤ばかり

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金銀用精密天秤

天秤ばかり(てんびんばかり、英語:balance、balance scale)とは、てこの原理を利用して、質量を量りたい物体と、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)。上皿天秤のように、計りたい物体とおなじ重さの錘を用いるものと、一定の重さの錘を用いて、支点からの距離を変えることによって測定するものとに分かれる。狭義では天秤ばかりは前者のみを指し、後者は竿ばかりと呼ばれる。電子天秤も内部的には天秤ばかりとしての構造を有し、天秤と呼ばれる。ただし、錘ではなく電気的な力によって天秤をつり合わせている点で、上記の古典的な天秤ばかりとは異なると言える。

解説[編集]

天秤

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とをぶら下げ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、釣り合ったときの錘の重さと、被測定物の重さが等しくなるので、ぶら下げた錘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。

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。

旧来の体重計

人体など、より重い物体を測定対象とする場合、それとおなじ重さの錘を用意するのは大変である。このような場合は、錘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。てこの原理に従って、錘や物体が天秤に与えるトルク(力のモーメント)は、支点との距離に比例するからである。

錘と天秤ばかり本体をばらばらのパーツとして保管しておくのは、一般的にはあまり好ましくないといえる。錘と本体がばらばらにならないよう、錘が天秤の棒(さお)から外れないで動かせる天秤ばかりもある。物体の重さは棒に刻まれた目盛りのどの位置に錘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。

さらに大型でかさのある荷を扱うため、プラットフォーム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キログラム容量のポータブル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。このようなシステム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。

電子天秤

現代では一般の体重計はばねばかりであることが多いが、体脂肪計など精密な質量測定が必要とされる用途では、電子天秤を使うものも見受けられる。電子天秤は、錘と釣り合わせる代わりに、電気的な力と釣り合わせて物体の重さを測定する。特に、化学実験用の電子天秤は、極めて高い精度をもつように設計されている。0.1mg以下の精度で製作された皿が、透明なケースの中に収められ、塵や空気の流れが結果に影響を与えないようになっている。また、ケース内で空気の対流が起きないよう、計量する試料は室温でなければならない。

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。

感量 
質量計が反応することができる質量の最小の変化[1]
目量 
隣接する目盛標識のそれぞれが表す物象の状態の量の差[1]。最も細かい目盛が何グラム刻みであるかをいう。
ひょう量 
測定できる最大の質量[2]

試験と校正[編集]

分銅と秤

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、最近ではデジタル重量計が導入される傾向にある。デジタル重量計は、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0.5%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、近代的な電子重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。

誤差の原因[編集]

  • 試料がある体積の空気を押しのけることによる浮力。高精度の秤はしばしば真空中で用いる。
  • 風が秤を動かすこと
  • 試料の摩擦
  • 空気中の塵が堆積すること
  • 秤の校正の不良
  • 機械部品の取りつけ不良
  • 機械部品の熱膨張・熱収縮によるずれ
  • 地磁気が秤の鉄製部品に影響を与える
  • 近くの電線が発生する磁界
  • 磁気が、ピックアップコイルやその他のセンサーに影響する
  • 乾燥した日に足でこすれたカーペットのような、静電気
  • 試料と空気の化学反応、または試料と秤の化学反応(腐食など)。
  • 空気中の水分の凝縮
  • 湿潤試料からの水分の蒸発
  • 高温または低温試料が生む空気の対流
  • コリオリ力
  • 重力異常。例えば山の近くで秤を使うなど。
  • 地震や振動

補足[編集]

パズルとして「全く同じ形をした13枚の金貨があるが、そのうち1枚は贋物(にせもの)である。その贋物を、天秤を3回だけ使って判別せよ。ただし、贋物は本物より重いのか軽いのか分からない。」などの天秤ばかりを用いた問題が、ひとつのパターンといえるほどによく出題される。

脚注[編集]

  1. ^ a b 内閣 (2007), “第二条第二項イ”, 計量法施行令(平成五年十月六日政令第三百二十九号) (平成一九年一一月二一日政令第三三九号 ed.), http://law.e-gov.go.jp/htmldata/H05/H05SE329.html#1000000000001000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 2009年6月29日閲覧。 
  2. ^ 日本規格協会, ed. (1983), “化学分析方法通則(抜粋) K 0050-1983”, JISハンドブック 試薬, 日本規格協会 (1985発行), p. 25, ISBN 4-542-12135-6 

関連項目[編集]