Waage

Balkenwaage (1850) Briefwaage Postwaage (ca. 1971)

Eine Waage ist ein Messgerät zur Bestimmung einer Masse.

Die Messung der Masse eines Körpers erfolgt üblicherweise über dessen Gewichtskraft: Die Gewichtskraft wird entweder direkt bestimmt, wie etwa mit einer Federwaage, oder sie wird mit der Gewichtskraft einer bekannten Masse verglichen, wie bei einer Balkenwaage. Bei Waagen der ersten Art geht die Schwerebeschleunigung, die lokal unterschiedlich ist, in die Messung ein. Bei Waagen der zweiten Art ist die Schwerebeschleunigung für beide verglichenen Massen dieselbe und beeinflusst das Messergebnis deshalb nicht. Bei beiden Arten wirkt ein durch die umgebende Luft verursachter statischer Auftrieb auf den oder die Körper und auf Teile der Waage. Je nach der benötigten Genauigkeit wird dies vernachlässigt oder durch geeignete Korrektionen berücksichtigt.

Zusammenhang von Masse und Gewichtskraft

Gewichtsstück

Es gilt der Zusammenhang

Masse in kg = Gewichtskraft in N Schwerebeschleunigung in  m s 2 {\displaystyle {\text{Masse in kg}}={\frac {\text{Gewichtskraft in N}}{{\text{Schwerebeschleunigung in }}{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}}}}

Die Schwerebeschleunigung hängt dabei sowohl vom Ort (als auch in geringem Maß vom Zeitpunkt) der Messung ab. Der Einfluss anderer Kräfte auf das Wägegut oder die Waage ist hier nicht berücksichtigt. Dazu gehören der hydrostatische Auftrieb des Wägeguts im umgebenden Medium – in der Regel Luft – magnetische Interaktionen von Wägegut, von Komponenten der Waage oder von umgebenden Gegenständen, sowie elektrostatische Interaktionen.

Eigenschaften

Waagen können mit folgenden Eigenschaften charakterisiert werden:

Geschichte

Römische Waage mit zwei Bronze-Gewichten, 50–200 A.D.,Gallo-Römisches Museum, Tongeren (B)Belgien Alte Erzwaage in Olbernhau-Grünthal Zeigerschnellwaage

Ein Waagebalken aus dem 5. Jahrtausend v. Chr. wurde in einem prähistorischen Grab in Ägypten entdeckt. Früheste ägyptische Abbildungen einfacher Balkenwaagen stammen aus der Zeit um 2000 v. Chr. Die Aufhängung des Waagebalkens bestand aus einem Seil, an seinen äußeren Enden hingen die Waagschalen. Um 500 v. Chr. verbesserten Etrusker die Genauigkeit der Balkenwaage. Die Römer kannten auch ungleicharmige Waagen, der längere Arm trug ein verschiebbares Wägestück sowie eine Strichmarkierung. In der Renaissance kamen in alchimistischen Labors hochempfindliche Analysewaagen zum Einsatz.

1669 erfand der Franzose Gilles Personne de Roberval die Tafelwaage. Sie hatte den Vorteil, dass die Position der zu wägenden Last auf den Waagschalen das Ergebnis nicht beeinflusste. 1763 baute der schwäbische Pfarrer Philipp Matthäus Hahn eine Neigungswaage mit direkter Gewichtsanzeige. Dezimal- und Küchenwaagen entstanden in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Um 1850 wurden Versuche unternommen, das Wägeergebnis automatisch zu drucken. 1895 kamen in den USA Waagen mit gleichzeitiger Preisanzeige auf (preisrechnende Waagen). 1939 leiteten zwei amerikanische Ingenieure mit der Nutzung elektrischer Widerstandsänderungen das Zeitalter der elektronischen Waagen ein.

Wägeprinzipien

Bei den Waagen unterscheidet man die oben genannten beiden Grundprinzipien, Gewichtskraftmessung und Massenvergleich.

Wägen durch Messung der Gewichtskraft

Bei der einfachsten Form der Federwaage wird das Wägeobjekt an eine Schraubenfeder gehängt und die Verlängerung gemessen. Anhand der Federkonstante wird dadurch die Gewichtskraft ermittelt und mit der entsprechenden Skala auf die Masse abgebildet. Verwandte Messprinzipien basieren ebenfalls auf Verformungsmessung, beispielsweise mit Membranen, Kraftsensoren, Kraftmessdosen, Piezoeffekt oder Ringtorsion.

Es gibt Federwaagen und Kraftmesser für verschiedene Messbereiche. Beispiele:

Wägen durch Massenvergleich

Zweischalige Tafelwaage zum Massenvergleich Schnellwaage aus Aluminium in China. Der Anwender kann auf zweierlei Weise die Hebelwirkung verändern: erstens durch Verschieben des Referenzgewichts (rechts im Bild), zweitens durch die Wahl des Halterings (links im Bild). Dezimalwaage: Das Wägegut wird auf der Plattform (links) abgestellt. Sein Gewicht wird teilweise auf den Boden abgetragen und teilweise – an zwei Aufhängepunkten – auf den Hebelarm übertragen.

Die Masse eines Körpers wird durch den Vergleich mit Standardgewichten bestimmt. Auch diese Waagen arbeiten mit der Gravitation, müssen jedoch nicht auf die unterschiedlichen örtlichen Bedingungen eingestellt werden und könnten daher auch auf anderen Himmelskörpern, wie zum Beispiel dem Mond verwendet werden. Referenzgewichte sind zwischen 1 mg und 5 t normiert.

Elektronische und elektromechanische Waagen

Mechanische Geräte werden zunehmend durch elektronische Waagen ersetzt. Elektronische Analysenwaagen messen im Bereich von einigen hundert Gramm (typischerweise 200 – 300 g) mit einer Ablesbarkeit bis etwa 0,1 mg, was einer Auflösung von 106 entspricht.

Funktionsweise

Messung einer Verformung

Manche elektrische Waagen wandeln oft ebenso wie Federwaagen die Gewichtskraft mit einem elastischen Element (Feder bzw. einen Biegebalken) in eine Verformung bzw. einen Weg um. Gegenüber mechanischen Waagen ist der Weg bzw. die Dehnung jedoch kleiner. Die Dehnung wird mit einem Dehnungsmessstreifen gemessen. Entsprechende Baueinheiten sind Wägezellen.

Die Lageabweichung des elastischen Elementes kann auch über eine Kapazitätsänderung erfasst werden (Änderung des Plattenabstandes eines Kondensators).

Elektromagnetische Kraftkompensation

Genauere Waagen arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Dabei wird durch eine Spule in einem Permanentmagnetfeld eine Gegenkraft erzeugt, welche der Last der zu messenden Probe auf der Waagschale entspricht. Mit dieser Gegenkraft wird das Gleichgewicht gehalten. Dies wird durch einen Lagesensor und einen Regelverstärker bewerkstelligt. Über ein Hebelsystem kann eine kleinere Gegenkraft eine größere Kraft auf der Waagschale im Gleichgewicht halten. Der kraftproportionale Spulenstrom wird gemessen und, umgerechnet in Masse, angezeigt. Bei diesem Prinzip entsteht keine Verformung, was zu einer höheren Genauigkeit gegenüber verformenden Prinzipien führt.

Elektromechanische Waagen für Industrie und Transport

Straßenbrückenwaage Gleisbrückenwaage Elektronische Tisch- und Zählwaage (Max.: 5000 g, d: 1 g)

Bekannt sind unter anderem Plattform- und Fahrzeugwaagen, Wägebrücken (Brückenwaage) mit mehreren Messdosen und Messterminal, Straßenbrückenwaagen, Gleisbrückenwaagen für Eisenbahnwagen, Statische / Dynamische Achslastwaagen, Kranwaagen, Palettenwaagen (z. B. 10 bis 1500 kg ± 0,5 kg) oder Wägeterminals mit Abfüllsteuerung (siehe: Abfüllwaage).

Zählwaagen

Zählwaagen bestimmen das Verhältnis des Gewichts einer Stückmenge zu einem einzelnen dieser Stücke (Zählmaß). Dazu werden ein oder (bei großen zu zählenden Stückzahlen) mehrere Stücke aufgelegt und so ein durchschnittliches Stückgewicht ermittelt. Übliche elektronische Waagen können diese Funktionalität in Form einer Software in ihrem Bedienumfang enthalten.

Zählwaagen werden auch als Inventurwaagen eingesetzt, um den mengenmäßigen Lagerbestand an Komponenten und Materialien während einer Inventur zu erfassen.

Zählwägesysteme oder auch Zählwaagen-Verbundsysteme genannt, bestehen jeweils aus einer feinen Referenzwaage und einer (deutlich) größeren Mengenwaage. Hiermit ist es möglich, Materialien mit kleinem Gewicht auch in großer Menge relativ genau zu zählen. Die Zählgenauigkeit hängt von den Eigenschaften der beiden Waagen und von den Eigenschaften der gezählten Teile ab. Mit solchen Zählwägesystemen ist es z. B. möglich, kleine Metallteile im Gramm-Bereich in schweren Gitterboxen zu zählen.

Besondere Waagen für Technik und Physik

Arten von Waagen

Laufgewichtswaage für den Haushalt, um 1935 Apothekerwaage älterer Bauart, Wägebereich 0,1 g bis 1 kg Geldwaage eines deutschen Handelsunternehmens

Nach Anwendung

Für Personen und den Haushalt:

Gewerblich:

Medizinisch:

Für Fahrzeuge:

Historisch:

Nach Bauart

Nach Genauigkeit

→ Hauptartikel: Genauigkeitsklasse eines Wiegesystems

Präzisionswaagen erreichen Genauigkeiten bis 0,01 %. Einteilung nach Genauigkeit:

Wortgeschichte

Etymologie und Schreibweise

Das Wort Waage (ahd. wāga, mhd. wāge) ist verwandt mit dem Verb bewegen. Beide Wörter gehen auf eine indogermanische Wurzel zurück, die „bewegen“ bedeutet. Eine Waage ist im ursprünglichen Wortsinn ein sich bewegender, schwingender Gegenstand. Das Verb wagen (mhd. wāgen) mit der Bedeutung „sich trauen, etwas riskieren“ ist eine Ableitung aus mhd. wāge (= Waage) und bedeutet eigentlich „etwas auf die Waage legen“.

Im Jahre 1927 wurde die Schreibung zur besseren Unterscheidung zu Wagen von Wage auf Waage geändert.

Wägen und Wiegen

Die Verben wägen und wiegen bedeuten beide „das Gewicht bestimmen“, unterscheiden sich jedoch in der Wortgeschichte und im heutigen Wortgebrauch.

Das Bestimmen des Gewichts wird heute in der Allgemeinsprache fast nur mit dem jüngeren Verb wiegen ausgedrückt. In der Fachsprache hat sich wägen jedoch gehalten. Darüber hinaus ist wägen in der Schweiz gebräuchlich.

Das im Präsens gleichlautende Verb wiegen (aber schwach: wiegte, gewiegt) mit der Bedeutung „sanft hin und her bewegen“ ist von Wiege abgeleitet. Die Wörter Wiege und Waage sind nicht direkt verwandt, wahrscheinlich gehen sie aber mit der gemeinsamen Grundbedeutung „sich bewegender Gegenstand“ auf dieselbe indogermanische Wortwurzel zurück.

Übertragener Wortgebrauch

Eine Verbreitung in der religiösen Ikonographie erfuhr das Gerät besonders im Bild der Seelenwaage.

Das Wort Waage ist auch in Bezeichnungen für einige technische Geräte enthalten, mit denen nicht das Gewicht bestimmt wird:

Im allgemeinen Sprachgebrauch greifen einige Redewendungen auf das Bild der Waage zurück:

Literatur

Weblinks

Commons: Waagen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien Wiktionary: Waage – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Besemer in Meyers Konversations-Lexikon, 4. Auflage (1885–1892), retrobibliothek.de
  2. ↑ On the Science of Weighing and Measuring, and the Standards of Weight and Measure, https://www.nature.com/articles/009047a0 Nature 9, 47–49 (1873)
  3. ↑ Funktionsweise der elektromagnetischen Kraftkompensation, in Technologiedifferenzierung – die erfolgreiche Strategie der Sartorius AG, S. 11 (PDF; 1,1 MB)
  4. ↑ a b Duden online: Waage
  5. ↑ Duden online: wagen
  6. ↑ Bekanntmachung des Reichsministers des Innern vom 5. Juli 1927 (Reichsministerialblatt 1927, Nr. 29, S. 205); Duden 1929, faql.de
  7. ↑ a b Duden online: wägen
  8. ↑ a b Duden online: wiegen (zu Waage und wägen)
  9. ↑ Duden online: wiegen (zu Wiege)
  10. ↑ Duden online: Wiege
  11. ↑ Duden online: Goldwaage
Normdaten (Sachbegriff): GND: 4132596-5