ابزارهای اندازه‌گیری جرم: از ترازوهای قدیمی تا ترازوهای دیجیتال
جرم چیست و چرا باید آن را اندازه بگیریم؟
جرم[1] مقدار ماده‌ای است که یک جسم دارد. این کمیت یک خاصیت ذاتی است و در هر کجای جهان ثابت می‌ماند. اما وزن[2] نیرویی است که در اثر جاذبه به یک جسم وارد می‌شود. وزن با تغییر مکان (مثلاً رفتن به ماه) تغییر می‌کند، اما جرم ثابت است. ما جرم را اندازه می‌گیریم تا مقدار مواد را در پخت‌وپز، خرید و فروش کالا، تحقیقات علمی و ساخت داروها به دقت تعیین کنیم.
وزن یک جسم از ضرب جرم آن در شتاب جاذبه (g) به دست می‌آید: $ W = m \times g $ که در آن W وزن (بر حسب نیوتن)، m جرم (بر حسب کیلوگرم) و g شتاب گرانش ($ 9.8 m/s^2 $ روی زمین) است.
انواع اصلی ترازوها و نحوه عملکرد آنها
ابزارهای اندازه‌گیری جرم، که عموماً به آنها ترازو گفته می‌شود، در دو دسته‌ی کلی قرار می‌گیرند: ترازوهای مکانیکی و ترازوهای دیجیتال. هر کدام اصول فیزیکی متفاوتی دارند.
ترازوهای مکانیکی: اهرم و فنر
این ترازوها بدون نیاز به برق کار می‌کنند و از قوانین فیزیک بهره می‌برند.
- ترازوی دوکفی: قدیمی‌ترین نوع ترازو است که بر اساس اصل اهرم‌ها کار می‌کند. جسم را در یک کفه و وزنه‌های استاندارد را در کفه دیگر قرار می‌دهند. وقتی دو کفه به تعادل برسند، جرم جسم برابر با مجموع وزنه‌ها است. این ترازوها در طلافروشی‌ها و آزمایشگاه‌های شیمی دیده می‌شوند.
- ترازوی فنری (اجspring): این ترازوها که اغلب برای اندازه‌گیری وزن استفاده می‌شوند، بر اساس قانون هوک کار می‌کنند. وقتی جسمی به فنر آویزان می‌شود، فنر بر اساس جرم جسم کشیده می‌شود و یک عقربه روی صفحه درجه‌بندی شده، عددی را نشان می‌دهد. این همان ترازوی معروف حمام است!
ترازوهای دیجیتال: دقت در عصر فناوری
این ترازوها با استفاده از قطعه‌ای به نام «سلول بار»[3] کار می‌کنند. وقتی جسمی روی صفحه ترازو قرار می‌گیرد، به سلول بار فشار وارد می‌کند. این فشار باعث تغییر شکل بسیار کوچکی در آن می‌شود. این تغییر شکل، مقاومت الکتریکی سلول را تغییر می‌دهد و یک سیگنال الکتریکی ایجاد می‌کند. ترازو این سیگنال را پردازش کرده و جرم را روی صفحه‌ی ال‌ای دی (LED) یا ال‌سی‌دی (LCD) نمایش می‌دهد. دقت و سرعت خوانش این ترازوها بسیار بالا است.
| نوع ترازو | اصل کاری | کاربردهای رایج | دقت |
|---|---|---|---|
| ترازوی دوکفی | تعادل اهرم‌ها | طلافروشی، آزمایشگاه | خیلی بالا |
| ترازوی فنری | کشش فنر (قانون هوک) | خانه، حمام | متوسط |
| ترازوی دیجیتال | سلول بار (تغییر مقاومت الکتریکی) | آشپزخانه، فروشگاه، آزمایشگاه پیشرفته | بسیار بالا |
کاربرد ابزارهای اندازه‌گیری جرم در زندگی و علم
این ابزارها آنقدر در زندگی ما تنیده شده‌اند که شاید متوجه حضور همیشگی آنها نباشیم.
- آشپزخانه: برای پخت یک کیک خوشمزه، باید مقدار آرد، شکر و کره را با دقت اندازه بگیریم. یک ترازوی دیجیتال کوچک بهترین کمک‌آشپز است.
- خرید و فروش: وقتی میوه یا تکه‌ای گوشت می‌خریم، فروشنده آن را روی ترازو می‌گذارد تا جرم و consequently قیمت آن را محاسبه کند.
- پزشکی و داروسازی: داروسازان برای ساخت داروها باید مواد اولیه را با دقت میلی‌گرمی اندازه‌گیری کنند. حتی وزن‌کشی منظم در خانه نیز برای کنترل سلامت مهم است.
- تحقیقات علمی: در آزمایشگاه‌های شیمی و فیزیک، ترازوهای بسیار حساس (ترازوی تحلیلی) وجود دارند که می‌توانند تا 0.0001 گرم را اندازه بگیرند! یک دانشمند برای انجام یک واکنش شیمیایی دقیق باید بداند دقیقاً چه مقدار از هر ماده را با هم مخلوط کند.
مثال: یک داروساز باید 500 mg (میلی‌گرم) از یک ماده‌ی فعال را با 2 g (گرم) از یک ماده‌ی دیگر مخلوط کند. او از یک ترازوی دیجیتال فوق‌حساس استفاده می‌کند تا نسبت دقیق این مواد را رعایت کند و دارویی مؤثر و بی‌خطر تولید شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: ترازوی حمام در واقع وزن شما را اندازه می‌گیرد (یعنی نیروی جاذبه‌ی زمین را که به بدن شما وارد می‌شود). اما چون درجه‌بندی آن بر اساس جرم انجام شده (کیلوگرم)، در عمل عددی که نشان می‌دهد معادل جرم بدن شما روی زمین است. اگر همین ترازو را به ماه ببریم، عدد بسیار کمتری را نشان خواهد داد چون ماه کمتر است، اما جرم شما تغییر نکرده است!
پاسخ: صفر کردن ترازو (Taring) باعث می‌شود وزن ظرف (مثلاً یک بشر) از محاسبات حذف شود. شما ظرف را روی ترازو می‌گذارید، دکمه Tare را می‌زنید تا صفحه نمایش عدد صفر را نشان دهد. حالا هر ماده‌ای که داخل ظرف بریزید، ترازو فقط جرم خود ماده را نمایش می‌دهد. این کار برای اندازه‌گیری دقیق ضروری است.
پاسخ: قرار دادن ترازو روی یک سطح ناصاف یا لرزان یکی از بزرگترین اشتباهات است. این کار باعث می‌شود ترازو نتواند اندازه‌گیری دقیقی انجام دهد. همیشه ترازو باید روی یک سطح کاملاً صاف و ثابت قرار گیرد. همچنین، overload کردن ترازو (گذاشتن جسمی سنگین‌تر از حد مجاز ترازو) می‌تواند به مکانیزم داخلی آن آسیب بزند.
پاورقی
[1] جرم (Mass): کمیت نرده‌ای که میزان مادهٔ تشکیل‌دهنده یک جسم را نشان می‌دهد. واحد آن در سیستم SI کیلوگرم (kg) است.
[2] وزن (Weight): نیرویی که در اثر گرانش به یک جسم وارد می‌شود. واحد آن نیوتن (N) است.
[3] سلول بار (Load Cell): یک مبدل (ترانسدیوسر) که نیرو را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند.