شارك
الرئيسية
4 دقائق 
من غير المعروف متى بدأ البشر باستخدام الميزان لقياس وزن الأشياء؛ لكن يُشير البعض إلى أن الموازين الصغيرة يعود تاريخها إلى أوائل الألفية الرابعة قبل الميلاد، وأن أبسط الموازين وُجد في مصر القديمة قبل 3 آلاف عام قبل الميلاد. لكن كيف يعمل الميزان؟
قديمةً كانت أو حديثة، تعتمد الموازين على مبادئ فيزيائية ومكوّنات ميكانيكية لقياس الوزن، ويكمن الاختلاف في كيفية إظهار أو قراءة الوزن.
الميزان قديماً
كانت تتألف الموازين القديمة من كَفّتَين وسلسلة من الموازين معروفة الوزن. يعتمد عمل الميزان على موازنة الكفّتَين؛ حيث يوضع بإحداها المادة المطلوب وزنها، ويتم اختيار واحدة من الموازين المماثلة للوزن المُراد، ثم يعمل الشخص على إضافة أو إنقاص المادة حتى تتوازن الكفتان تماماً.
يوجد نوع آخر من الموازين القديمة يعتمد على العمل اليدوي أيضاً، يتكون هذا الميزان من عارضة توازن أفقية مدرّجة بأرقام تدل على الوزن، وعليها ثقل يتحرك على طول العارضة. توضع المادة المراد وزنها في الكفة، ويتم تحريك الثقل حتى تصبح العارضة أفقية تماماً، ويُقرأ الوزن الذي وصل إليه الثقل.
- اقرأ أيضا: كيف تعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد؟
كيف يعمل الميزان الحديث؟
تعمل غالبية الموازين الآن -مهما كان الغرض منها- باستخدام أجهزة تُعرف باسم خلايا الحمل. وخلية الحمل عبارة عن مقياس قوة يتكون من محول طاقة يستخدم لإنشاء إشارة كهربائية يتناسب حجمها مع القوة التي يتم قياسها.
بشكل أساسي؛ عندما يتم وضع أي وزن على مقياس، تنحني خلية الحمل قليلاً؛ ما يتسبب في تغيير الإشارة الكهربائية التي تمر عبر خلية الحمل. يرجع هذا التغيير في الإشارة إلى مقدار المقاومة الكهربائية التي يسببها الانحناء لمقياس الضغط داخل خلية الحمل، ثم تتم قراءة الإشارة بواسطة جهاز إلكتروني؛ الذي غالباً ما يكون مؤشراً رقمياً للوزن، ويتم تحويلها إلى قيمة وزن رقمية، ثم يتم عرض القيمة للقراءة.
بغض النظر عن مدى تعقيد الميزان أو نوع الوزن؛ تعمل جميع الموازين بهذه الطريقة سواء كنت تستخدم الميزان لقياس وزنك، أو من أجل قياس وزن المنتجات التي تريد شراءها، أو لإجراء قياسات دقيقة طبية مثلاً.
اقرأ أيضاً: كهربائياً كان أم تقليدياً: كيف يعمل محرك السيارة؟
أنواع خلايا الحمل في الميزان الحديث
يعود اختلاف أنواع الموازين لاختلاف خلية الحمل الموجودة ضمنها؛ حيث يعتمد بعضها على مبادئ ميكانيكية، وتعتمد الأنواع الأخرى على مبادئ كهربائية، وبذلك توجد عدة أنواع من خلايا الحمل:
خلايا الحمل الهوائية
يعتمد هذا النوع من خلايا الحمل على ضغط الهواء، وتتكون من غشاء مرن متصل بسطح المنصة (الكفة) يتم وضع الجسم المراد وزنه عليها. ويتكون الميزان الذي يحتوي هذا النوع من خلايا الحمل أيضاً من منظم هواء يحد من تدفق ضغط الهواء، ومقياس للضغط. يعمل الميزان باستخدام الهواء المضغوط لموازنة وزن الجسم، ويتم تحديد ثِقل الجسم بتحديد كمية الهواء المضغوطة. بعد ذلك؛ يحوّل مقياس الضغط القراءة إلى إشارة كهربائية.
تُعتبر الموازين التي تعمل بهذه الطريقة أدق من غيرها من الأنواع الأخرى، وغالباً ما تُستخدم لقياس الأوزان الصغيرة نسبياً في الأغراض التي تكون فيها النظافة والسلامة من أهم الاهتمامات. هذا النوع من خلايا الحمل مقاوم للانفجار، ولا يتأثر بتغير درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك؛ لا تحتوي على سوائل قد تلوث الجهاز إذا تمزق الغشاء. في المقابل؛ استجابة هذه الموازين بطيئة نسبياً وتحتاج إلى هواء نظيف وجاف منظم أو نيتروجين.
خلايا الحمل الهيدروليكية
تحتوي بعض الموازين غلى خلية حمل هيدروليكية، تحتوي بدورها على سائل مثل الماء أو الزيت. آلية عملها مشابهة لخلايا الحمل الهوائية؛ إلّا أنها تستخدم مكبساً وسائلاً مضغوطاً بدلاً عن الهواء. عند وضع جسم ما على المنصة، يطبّق المكبس ضغطاً متزايداً على السائل. يتناسب الضغط مع وزن الجسم المراد قياسه، وبذلك يمكن أخذ قياس دقيق للوزن، وقراءة الضغط بالنظر، أو تحويله إلى إشارة كهربائية وقراءة الوزن رقمياً.
لا تتأثر قراءة الوزن بكمية السائل الموجود في الخلية أو درجة حرارته. يُعتبر الميزان الذي يعتمد على خلايا الحمل الهيدروليكية ميزاناً دقيقاً؛ إذ يمكن أن تكون نسبة الخطأ في قياس الوزن 0.25% أو أقل - وهي نسبة مقبولة لمعظم أغراض قياس الوزن. وبما أنه لا يحتوي على مكونات كهربائية، يُعدُّ مثالياً للاستخدام في المناطق النائية، أو التي لا تتوفر الكهرباء فيها.
اقرأ أيضاً: رفيقة المغامرات الدائمة: كيف تعمل البوصلة؟
خلية تحميل مقياس الضغط
مقياس الضغط أو الإجهاد هو خلية الحمل الأكثر شيوعاً في الموازين. تعتمد على الكهرباء في عملها، وتناسب المقاومة الكهربائية عند تعرض الخلية للإجهاد مع الضغط، مع وزن الشيء المراد قياس وزنه؛ ما يجعل من السهل قراءة الوزن بدقة. ترجع هذه الدقة أيضاً إلى مقاييس الإجهاد الأربع الموجودة داخل خلية التحميل؛ وهي عبارة عن دارة كهربائية تقيس مقاومةً كهربائيةً غير معروفة وتوفر قياسات دقيقةً للغاية عند ثنيها بسبب جسم ما.
عندما لا يكون هناك شيء على خلية الحمل، فإن مقاومات مقاييس الإجهاد ستكون هي نفسها، أما عند وضع شيء ما، تختلف مقاومة مقياس الإجهاد؛ ما يتسبب في تغيير [tooltip content="يُخلَق فرق الجهد الكهربائي بوضع قيمتين مختلفتين للجهد الكهربائي على طرفي سلك مُوصِّل، ليسمح للتيار الكهربائي بالمرور بين طرفي السلك، لأن شرط مرور تيار كهربائي بين طرفيّ أي سلك هو توفر فرق الجهد بين طرفيه، ويُقاس بوحدة الفولط التي يُرمَز لها بـ “V”، ويُربَط بين فرق الجهد، والمقاومة الكهربائية، والتيار الكهربائي، بقانون أوم." url="" ]الجهد الكهربائي[/tooltip]، ويتم قياس التغيير في الجهد وتحويله إلى قيم قابلة للقراءة باستخدام عداد رقمي. يوفر هذا النوع من خلايا الحمل دقةً عاليةً جداً، وتتراوح نسبة الخطأ فيها من 0.03% إلى 0.25%، وهي مناسبة لجميع التطبيقات الصناعية تقريباً.
خلايا الحمل السِعَوية
تعتمد خلايا الحمل السعوية على قدرة النظام على تخزين الشحنة. تتكون خلية الحمل هذه من لوحين مستويين متوازيين يُطبّق تيار كهربائي عليهما. عندما تكون الشحنة مستقرةً، يتم تخزينها بين الألواح. تعتمد الكمية المخزنة أو السعة على حجم الفجوة بين الألواح، وعند وضع شيء ما على اللوحة، ستنخفض الفجوة وتُحدث تغييراً في السعة؛ والتي يمكن استخدامها لحساب الوزن.
اقرأ أيضاً: مزوّد الأخبار والترفيه: كيف يعمل التلفاز؟
بمعرفة نوع خلية الحمل، يمكنك معرفة كيف يعمل الميزان، مهما كان حجم الشيء الذي تريد معرفة وزنه، ومهما كان الغرض من استعماله، إن كان للأغراض الطبية، أو الصناعية أو التجارية أو لقياس وزنك ومعرفة مدى تقدمك بالنظام الغذائي أو الرياضي الذي تتبعه.
لمعرفة المزيد عن آلية عمل الأشياء والأجهزة من حولك؛ ما عليك سوى زيارة قسمنا الخاص الذي يتحدث عن كيف تعمل الأشياء؟