Balance
HistoryEdit
L’échelle de balance est un dispositif si simple que son utilisation est probablement antérieure de loin aux preuves. Ce qui a permis aux archéologues de relier les artefacts aux balances, ce sont les pierres pour déterminer la masse absolue. L’échelle d’équilibre elle-même a probablement été utilisée pour déterminer la masse relative bien avant la masse absolue.
La plus ancienne preuve de l’existence de balances de pesage date de 2400 à 1800 av. J.-C. dans la vallée de l’Indus. Avant cela, aucune opération bancaire n’était effectuée en raison du manque d’échelles. Des cubes de pierre polies uniformes découverts dans les premières colonies étaient probablement utilisés comme pierres de sertissage dans les balances. Bien que les cubes ne portent aucune marque, leurs masses sont des multiples d’un dénominateur commun. Les cubes sont faits de nombreux types de pierres de différentes densités. De toute évidence, leur masse, et non leur taille ou d’autres caractéristiques, a joué un rôle dans la sculpture de ces cubes.
En Égypte, les écailles remontent à environ 1878 avant JC, mais leur utilisation s’étend probablement beaucoup plus tôt. Des pierres sculptées portant des marques indiquant la masse et le symbole hiéroglyphique égyptien de l’or ont été découvertes, ce qui suggère que les marchands égyptiens utilisaient un système établi de mesure de la masse pour cataloguer les expéditions d’or ou les rendements des mines d’or. Bien qu’aucune balance réelle de cette époque n’ait survécu, de nombreux ensembles de pierres de pesage ainsi que des peintures murales illustrant l’utilisation des balances suggèrent une utilisation généralisée. En Chine, la plus ancienne balance de pesage excavée provenait d’une tombe de l’État de Chu de la période des Royaumes combattants chinois datant du 3ème au 4ème siècle avant JC au mont Zuojiagong près de Changsha, Hunan. La balance était en bois et utilisait des masses de bronze.
Les variations de l’échelle de la balance, y compris des dispositifs comme les bismar (échelles à armes inégales) bon marché et inexactes, ont commencé à être utilisées par de nombreux petits marchands et leurs clients vers 400 av.J.-C. Une pléthore de variétés d’échelle présentant chacune des avantages et des améliorations les unes par rapport aux autres apparaissent tout au long de l’histoire, de grands inventeurs tels que Léonard de Vinci prêtant une main personnelle à leur développement.
Même avec toutes les avancées dans la conception et le développement des balances de pesage, toutes les balances jusqu’au XVIIe siècle après JC étaient des variations sur l’échelle de la balance. La normalisation des poids utilisés – et la garantie que les commerçants utilisent les poids corrects – a été une préoccupation considérable des gouvernements tout au long de cette période.
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Pesant des plats de l’île de Thera, civilisation minoenne, 2000-1500 avant JC
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Poids du lion assyrien (8ème siècle avant JC) au British Museum
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Balance romaine avec deux poids en bronze, 50-200 A.D., Musée gallo-romain, Tongres Belgique
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L’empereur Jahangir (règne 1605-1627) pesant son fils Shah Jahan sur une balance de l’artiste Manohar (AD 1615, dynastie moghole, Inde) .
La forme originale d’une balance consistait en un poutre avec un point d’appui en son centre. Pour une précision maximale, le point d’appui serait constitué d’un pivot pointu en forme de V assis dans un palier en forme de V moins profond. Pour déterminer la masse de l’objet, une combinaison de masses de référence a été suspendue à une extrémité de la poutre tandis que l’objet de masse inconnue a été suspendu à l’autre extrémité (voir balance et balance steelyard). Pour les travaux de haute précision, tels que la chimie empirique, l’équilibrage du faisceau central reste l’une des technologies les plus précises disponibles et est couramment utilisé pour étalonner les masses d’essai.
Équilibres mécaniquesmodifier
La balance (également balance, balance de faisceau et balance de laboratoire) a été le premier instrument de mesure de masse inventé. Dans sa forme traditionnelle, il se compose d’un levier horizontal pivotant avec des bras de longueur égale – la poutre – et d’un plateau de pesée suspendu à chaque bras (d’où le nom pluriel « balances » pour un instrument de pesée). La masse inconnue est placée dans un bac et les masses standard sont ajoutées à l’autre bac jusqu’à ce que le faisceau soit aussi proche que possible de l’équilibre. Dans les balances de précision, une détermination plus précise de la masse est donnée par la position d’une masse glissante déplacée le long d’une échelle graduée. Techniquement, une balance compare le poids plutôt que la masse, mais, dans un champ gravitationnel donné (comme la gravité terrestre), le poids d’un objet est proportionnel à sa masse, de sorte que les masses standard utilisées avec les balances sont généralement étiquetées en unités de masse (par exemple g ou kg).
Contrairement aux balances à ressort, les balances sont utilisées pour la mesure précise de la masse car leur précision n’est pas affectée par les variations du champ gravitationnel local. (Sur Terre, par exemple, ceux-ci peuvent s’élever à ± 0,5% entre les emplacements.) Un changement de la force du champ gravitationnel provoqué par le déplacement de la balance ne modifie pas la masse mesurée, car les moments de force de chaque côté du faisceau sont également affectés. Une balance fournira une mesure précise de la masse à n’importe quel endroit où la gravité ou l’accélération sont constantes.
Des mesures très précises sont obtenues en s’assurant que le point d’appui du balancier est essentiellement sans frottement (une arête de couteau est la solution traditionnelle), en fixant un pointeur sur la poutre qui amplifie tout écart par rapport à une position du balancier ; et enfin en utilisant le principe du levier, qui permet d’appliquer des masses fractionnaires par déplacement d’une petite masse le long du bras de mesure de la poutre, comme décrit ci-dessus. Pour une plus grande précision, il faut tenir compte de la flottabilité dans l’air, dont l’effet dépend des densités des masses impliquées.
Pour réduire le besoin de grandes masses de référence, un faisceau décentré peut être utilisé. Une balance avec un faisceau décentré peut être presque aussi précise qu’une balance avec un faisceau central, mais le faisceau décentré nécessite des masses de référence spéciales et ne peut pas être vérifié intrinsèquement pour sa précision en échangeant simplement le contenu des casseroles comme le peut une balance à faisceau central. Pour réduire le besoin de petites masses de référence graduées, un poids coulissant appelé poise peut être installé de manière à pouvoir être positionné le long d’une balance calibrée. Un équilibre ajoute d’autres subtilités à la procédure d’étalonnage, car la masse exacte de l’équilibre doit être ajustée au rapport de levier exact de la poutre.
Pour plus de commodité dans la mise en place de charges importantes et gênantes, une plate-forme peut être flottante sur un système de poutre en porte-à-faux qui amène la force proportionnelle à un roulement de nez; cela tire sur une tige stilyard pour transmettre la force réduite à une poutre de taille pratique.
On voit encore cette conception dans les balances portatives de 500 kg de capacité couramment utilisées dans des environnements difficiles sans électricité, ainsi que dans la balance de salle de bain mécanique plus légère (qui utilise en fait une balance à ressort, en interne). Les pivots et roulements supplémentaires réduisent tous la précision et compliquent l’étalonnage; le système de flotteur doit être corrigé pour les erreurs de coin avant que la portée ne soit corrigée en ajustant la poutre d’équilibrage et l’équilibre.
Roberval balanceEdit
En 1669, le Français Gilles Personne de Roberval présente à l’Académie des Sciences un nouveau type de balance. Cette échelle consistait en une paire de colonnes verticales séparées par une paire de bras de longueur égale et pivotantes au centre de chaque bras à partir d’une colonne verticale centrale, créant un parallélogramme. Du côté de chaque colonne verticale, une cheville s’étendait. À la stupéfaction des observateurs, peu importe où Roberval a accroché deux poids égaux le long de la cheville, la balance était toujours équilibrée. En ce sens, l’échelle était révolutionnaire: il a évolué vers la forme la plus couramment rencontrée consistant en deux casseroles placées sur une colonne verticale située au-dessus du point d’appui et du parallélogramme en dessous. L’avantage de la conception Roberval est que peu importe où des poids égaux sont placés dans les casseroles, la balance reste en équilibre.
D’autres développements ont inclus un « balancier » dans lequel le parallélogramme est remplacé par un nombre impair de pignons de verrouillage supérieur à un, avec des pignons alternés de même taille et avec le pignon central fixé à un support et les pignons extérieurs fixés à des plateaux, ainsi que le « balancier à pignon » constitué d’une chaîne de type bicyclette bouclée autour d’un nombre impair de pignons, le pignon central étant fixe et les deux plus externes libres de pivoter et fixés à un plateau.
Parce qu’il a plus de joints mobiles qui ajoutent de la friction, le balancier Roberval est constamment moins précis que le balancier traditionnel, mais à de nombreuses fins, cela est compensé par sa facilité d’utilisation.
Balance de torsion edit
La balance de torsion est l’une des balances analogiques les plus précises sur le plan mécanique. Les écoles de pharmacie enseignent toujours comment utiliser les balances de torsion aux États-Unis. Il utilise des casseroles comme une balance traditionnelle qui se trouvent au-dessus d’une chambre mécanique qui base les mesures sur la quantité de torsion d’un fil ou d’une fibre à l’intérieur de la chambre. La balance doit toujours utiliser un poids d’étalonnage pour se comparer, et peut peser des objets supérieurs à 120 mg et se situer dans une marge d’erreur de +/- 7 mg. De nombreux microbalances et ultra-microbalances qui pèsent des valeurs de gramme fractionnaires sont des balances de torsion. Un type de fibre commun est le cristal de quartz.
Appareils électroniquesmodifier
MicrobalanceEdit
Une microbalance (également appelée ultramicrobalance, ou nanobalance) est un instrument capable d’effectuer des mesures précises de la masse d’objets de masse relativement faible : de l’ordre d’un million de parties de gramme et moins.
Balance analytique
Une balance analytique est une classe de balance conçue pour mesurer une petite masse dans la plage inférieure au milligramme. Le bac de mesure d’une balance analytique (0,1 mg ou mieux) est à l’intérieur d’une enceinte transparente avec des portes afin que la poussière ne s’accumule pas et que les courants d’air dans la pièce n’affectent pas le fonctionnement de la balance. Cette enceinte est souvent appelée bouclier de tirage. L’utilisation d’un boîtier de sécurité d’équilibrage à ventilation mécanique, doté de profils aérodynamiques en acrylique de conception unique, permet un flux d’air sans turbulence lisse qui empêche les fluctuations d’équilibrage et la mesure de la masse jusqu’à 1 µg sans fluctuations ni perte de produit. De plus, l’échantillon doit être à température ambiante pour éviter que la convection naturelle ne forme des courants d’air à l’intérieur de l’enceinte ne provoque une erreur de lecture. Les balances de substitution mécaniques à un seul pan maintiennent une réponse constante tout au long de la capacité utile, ce qui est obtenu en maintenant une charge constante sur la poutre d’équilibrage et donc le point d’appui en soustrayant la masse du même côté de la poutre à laquelle l’échantillon est ajouté.
Les échelles analytiques électroniques mesurent la force nécessaire pour contrer la masse mesurée plutôt que d’utiliser des masses réelles. En tant que tels, ils doivent faire des ajustements d’étalonnage pour compenser les différences gravitationnelles. Ils utilisent un électroaimant pour générer une force pour contrer l’échantillon mesuré et produire le résultat en mesurant la force nécessaire pour atteindre l’équilibre. Un tel dispositif de mesure est appelé capteur de restauration de force électromagnétique.
Balances à pendulemodifier
Les balances à pendule n’utilisent pas de ressorts. Ces modèles utilisent des pendules et fonctionnent comme un balancier qui n’est pas affecté par les différences de gravité. Un exemple d’application de cette conception sont les balances fabriquées par la société Toledo Scale.
Échelles programmablesedit
Une balance programmable comporte un contrôleur logique programmable, ce qui lui permet d’être programmée pour diverses applications telles que le dosage, l’étiquetage, le remplissage, les balances pour camions, etc.
SymbolismEdit
Les balances (en particulier, une balance à deux pan) sont l’un des symboles traditionnels de la justice, comme le brandissent les statues de Dame Justice. Cela correspond à l’utilisation en métaphore de questions « tenues dans la balance ». Il a ses origines dans l’Egypte ancienne.
Les échelles sont également le symbole du signe astrologique Balance.
Les échelles (en particulier, une balance à deux pan, dans un état d’équilibre égal) sont le symbole traditionnel du pyrrhonisme indiquant l’équilibre égal des arguments utilisés pour induire l’époque.
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