Historiaeditar
La balanza es un dispositivo tan simple que su uso probablemente sea anterior a la evidencia. Lo que ha permitido a los arqueólogos vincular artefactos con balanzas son las piedras para determinar la masa absoluta. La propia escala de equilibrio probablemente se utilizó para determinar la masa relativa mucho antes de la masa absoluta.
La evidencia más antigua de la existencia de balanzas data de c. 2400-1800 AC en el valle del río Indo. Antes de eso, no se realizaban operaciones bancarias debido a la falta de escalas. Cubos de piedra uniformes y pulidos descubiertos en los primeros asentamientos probablemente se usaron como piedras para engastar masas en balanzas. Aunque los cubos no llevan marcas, sus masas son múltiplos de un denominador común. Los cubos están hechos de muchos tipos diferentes de piedras con densidades variables. Claramente, su masa, no su tamaño u otras características, fue un factor en la escultura de estos cubos.
En Egipto, las escalas se remontan a alrededor de 1878 a.C., pero su uso probablemente se extiende mucho antes. Se han descubierto piedras talladas con marcas que denotan masa y el símbolo jeroglífico egipcio para el oro, lo que sugiere que los comerciantes egipcios habían estado utilizando un sistema establecido de medición de masa para catalogar los envíos de oro o los rendimientos de las minas de oro. Aunque no han sobrevivido escalas reales de esta época, muchos juegos de piedras de pesaje, así como murales que representan el uso de balanzas, sugieren un uso generalizado. En China, la balanza de pesaje más antigua excavada fue de una tumba del Estado de Chu del Período de los Estados Beligerantes chinos que data del siglo III al IV a.C. en el Monte Zuojiagong, cerca de Changsha, Hunan. La balanza estaba hecha de madera y se utilizaban masas de bronce.
Las variaciones en la balanza, incluidos dispositivos como la barata e inexacta bismar (básculas con brazos desiguales), comenzaron a ser utilizadas comúnmente hacia el año 400 a. C.por muchos pequeños comerciantes y sus clientes. Una gran cantidad de variedades a escala, cada una con ventajas y mejoras entre sí, aparecen a lo largo de la historia registrada, con grandes inventores como Leonardo da Vinci echando una mano personal en su desarrollo.
Incluso con todos los avances en el diseño y desarrollo de básculas de pesaje, todas las básculas hasta el siglo XVII d.C. eran variaciones en la báscula de balanza. La estandarización de las ponderaciones utilizadas-y la garantía de que los comerciantes utilizaran las ponderaciones correctas – fue una preocupación considerable de los gobiernos a lo largo de este tiempo.
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Platos de pesaje de la isla de Thera, civilización minoica, 2000-1500 AC
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Pesas de león asirio (siglo VIII a. C.) en el Museo Británico
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Balanza romana con dos pesas de bronce, 50-200 d. C., Museo galorromano, Tongres, Bélgica
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Emperador Jahangir (reinó entre 1605 y 1627) pesando a su hijo Shah Jahan en una balanza del artista Manohar (1615, dinastía mogol, India).
La forma original de una balanza consistía en una viga con un punto de apoyo en su centro. Para una mayor precisión, el punto de apoyo consistiría en un pivote afilado en forma de V sentado en un rodamiento en forma de V menos profundo. Para determinar la masa del objeto, se colgó una combinación de masas de referencia en un extremo de la viga, mientras que el objeto de masa desconocida se colgó en el otro extremo (ver balanza y balanza de acero). Para trabajos de alta precisión, como la química empírica, el equilibrio de haz central sigue siendo una de las tecnologías más precisas disponibles, y se usa comúnmente para calibrar masas de prueba.
Equilibrios mecánicoseditar
La balanza (también balanza, balanza de haz y balanza de laboratorio) fue el primer instrumento de medición de masa inventado. En su forma tradicional, consiste en una palanca horizontal pivotante con brazos de igual longitud – la viga – y una bandeja de pesaje suspendida de cada brazo (de ahí el nombre plural «básculas» para un instrumento de pesaje). La masa desconocida se coloca en una bandeja y las masas estándar se agregan a la otra bandeja hasta que la viga esté lo más cerca posible del equilibrio. En balanzas de precisión, una determinación más precisa de la masa viene dada por la posición de una masa deslizante movida a lo largo de una escala graduada. Técnicamente, una balanza compara el peso en lugar de la masa, pero, en un campo gravitacional dado (como la gravedad de la Tierra), el peso de un objeto es proporcional a su masa, por lo que las masas estándar utilizadas con las balanzas generalmente se etiquetan en unidades de masa (por ejemplo, g o kg).
A diferencia de las escalas basadas en muelles, las balanzas se utilizan para la medición de precisión de la masa, ya que su precisión no se ve afectada por las variaciones en el campo gravitacional local. (En la Tierra, por ejemplo, estos pueden ascender a ±0.5% entre ubicaciones.) Un cambio en la fuerza del campo gravitacional causado por el movimiento de la balanza no cambia la masa medida, porque los momentos de fuerza a ambos lados del haz se ven afectados por igual. Una balanza hará una medición precisa de la masa en cualquier lugar que experimente una gravedad o aceleración constante.
Se logran mediciones muy precisas al garantizar que el fulcro de la balanza esté esencialmente libre de fricción (la solución tradicional es un borde de cuchilla), al colocar un puntero en la viga que amplifica cualquier desviación de una posición de la balanza; y, finalmente, utilizando el principio de palanca, que permite aplicar masas fraccionadas mediante el movimiento de una pequeña masa a lo largo del brazo de medición de la viga, como se describió anteriormente. Para una mayor precisión, es necesario tener en cuenta la flotabilidad en el aire, cuyo efecto depende de las densidades de las masas involucradas.
Para reducir la necesidad de grandes masas de referencia, se puede usar una viga descentrada. Una balanza con una viga descentrada puede ser casi tan precisa como una báscula con una viga central, pero la viga descentrada requiere masas de referencia especiales y no se puede verificar intrínsecamente la precisión simplemente intercambiando el contenido de las bandejas como una balanza de viga central. Para reducir la necesidad de masas de referencia graduadas pequeñas, se puede instalar un peso deslizante llamado equilibrio para que se pueda colocar a lo largo de una escala calibrada. Un equilibrio añade más complejidades al procedimiento de calibración, ya que la masa exacta del equilibrio debe ajustarse a la relación de palanca exacta de la viga.
Para una mayor comodidad en la colocación de cargas grandes e incómodas, se puede flotar una plataforma en un sistema de viga en voladizo que lleva la fuerza proporcional a un rodamiento de nariz; esto tira de una varilla de zancos para transmitir la fuerza reducida a una viga de tamaño conveniente.
Todavía se ve este diseño en balanzas de vigas portátiles de 500 kg de capacidad que se utilizan comúnmente en entornos hostiles sin electricidad, así como en la báscula de baño mecánica de servicio más ligero (que en realidad utiliza una báscula de resorte, internamente). Los pivotes y rodamientos adicionales reducen la precisión y complican la calibración; el sistema de flotador debe corregirse por errores en las esquinas antes de corregir el vano ajustando la viga de equilibrio y el equilibrio.
Roberval Balanceeditar
En 1669, el francés Gilles Personne de Roberval presentó un nuevo tipo de balanza a la Academia de Ciencias de Francia. Esta escala consistía en un par de columnas verticales separadas por un par de brazos de igual longitud y pivotantes en el centro de cada brazo desde una columna vertical central, creando un paralelogramo. Desde el lado de cada columna vertical se extiende una clavija. Para asombro de los observadores, sin importar dónde Roberval colgara dos pesos iguales a lo largo de la clavija, la balanza seguía equilibrada. En este sentido, la escala fue revolucionaria: evolucionó hacia la forma más común que consiste en dos bandejas colocadas en una columna vertical situada por encima del punto de apoyo y el paralelogramo debajo de ellas. La ventaja del diseño Roberval es que no importa dónde se coloquen pesos iguales en las bandejas, la báscula seguirá equilibrándose.
Otros desarrollos han incluido un » equilibrio de engranajes «en el que el paralelogramo se sustituye por cualquier número impar de engranajes entrelazados mayor que uno, con engranajes alternos del mismo tamaño y con el engranaje central fijado a un soporte y los engranajes exteriores fijados a sartenes, así como el» equilibrio de engranajes de piñón » que consiste en una cadena de tipo bicicleta en bucle alrededor de un número impar de piñones, con el central fijo y los dos exteriores libres para pivotar y unidos a un plato.
Debido a que tiene más juntas móviles que agregan fricción, la balanza Roberval es consistentemente menos precisa que la balanza de vigas tradicional, pero para muchos propósitos esto se compensa por su facilidad de uso.
Balanceo de torsióneditar
El balanceo de torsión es una de las balanzas analógicas y mecánicamente más precisas. Las escuelas de farmacia todavía enseñan cómo usar las balanzas de torsión en los Estados Unidos. Utiliza sartenes como una balanza tradicional que se encuentra en la parte superior de una cámara mecánica que basa las mediciones en la cantidad de torsión de un cable o fibra dentro de la cámara. La báscula todavía debe usar un peso de calibración para comparar, y puede pesar objetos mayores de 120 mg y estar dentro de un margen de error +/- 7 mg. Muchas microbalanzas y ultramicrobalanzas que pesan valores de gramos fraccionados son balanzas de torsión. Un tipo de fibra común es el cristal de cuarzo.
Dispositivos electrónicoseditar
Microbalanceeditar
Una microbalanza (también llamada ultramicrobalanza, o nanobalanza) es un instrumento capaz de hacer mediciones precisas de la masa de objetos de masa relativamente pequeña: del orden de un millón de partes de un gramo y por debajo.
Balanza analíticaeditar
Una balanza analítica es una clase de balanza diseñada para medir masas pequeñas en el rango de sub miligramos. Bandeja de medición de una balanza analítica (0.1 mg o mejor) está dentro de un recinto transparente con puertas para que el polvo no se acumule y para que las corrientes de aire en la habitación no afecten el funcionamiento de la balanza. Este recinto a menudo se llama escudo de tiro. El uso de una carcasa de seguridad de equilibrio ventilada mecánicamente, que tiene perfiles de aire acrílicos de diseño único, permite un flujo de aire suave y sin turbulencias que evita la fluctuación del equilibrio y la medición de masa de hasta 1 µg sin fluctuaciones ni pérdida de producto. Además, la muestra debe estar a temperatura ambiente para evitar que la convección natural forme corrientes de aire dentro del recinto que causen un error de lectura. Las balanzas de sustitución mecánicas de una sola pieza mantienen una respuesta uniforme a lo largo de toda la capacidad útil, lo que se logra manteniendo una carga constante en la viga de equilibrio y, por lo tanto, en el punto de apoyo, restando masa en el mismo lado de la viga a la que se agrega la muestra.
Las escalas analíticas electrónicas miden la fuerza necesaria para contrarrestar la masa que se está midiendo en lugar de utilizar masas reales. Como tales, deben tener ajustes de calibración realizados para compensar las diferencias gravitacionales. Utilizan un electroimán para generar una fuerza para contrarrestar la muestra que se está midiendo y generar el resultado midiendo la fuerza necesaria para lograr el equilibrio. Este dispositivo de medición se denomina sensor de restauración de fuerza electromagnética.
Escalas de equilibrio de pénduloeditar
Las escalas de tipo péndulo no utilizan resortes. Estos diseños utilizan péndulos y funcionan como un equilibrio que no se ve afectado por las diferencias de gravedad. Un ejemplo de aplicación de este diseño son las básculas fabricadas por Toledo Scale Company.
Básculas programableseditar
Una báscula programable tiene un controlador lógico programable, lo que le permite programarse para diversas aplicaciones, como procesamiento por lotes, etiquetado, llenado, básculas de camiones y más.
Simbolismoeditar
Las escalas (específicamente, una balanza de dos bandas) son uno de los símbolos tradicionales de la justicia, como esgrimen las estatuas de la Dama de la Justicia. Esto corresponde al uso en metáfora de los asuntos «mantenidos en la balanza». Tiene sus orígenes en el antiguo Egipto.
Las escalas también son el símbolo del signo astrológico Libra.
Las escalas (específicamente, una balanza de dos bandas en un estado de equilibrio igual) son el símbolo tradicional del pirronismo que indica el equilibrio igual de argumentos utilizados para inducir la época.