Federwaage
Die Federwaage (auch Sackwaage) und der Federkraftmesser sind Messgeräte, die die Dehnung einer Schraubenfeder zur Messung einer Kraft verwenden. Die Federwaage bestimmt über die Gewichtskraft die Masse und hat eine Skala in Kilogramm (kg). Die Skala des Federkraftmessers ist in Newton (N) angegeben.
Das Prinzip
Die Federwaage nutzt zur Messung von Zug- oder Gewichtskräften die lineare und elastische Dehnung einer Schraubenfeder unter Einwirkung einer Zugkraft. Dabei wird die Längenausdehnung gemessen, die im linearen Dehnungsbereich der Feder nach dem Hookeschen Gesetz proportional zur Zugkraft ist. Zur praktischen Anwendung wird eine Schraubenfeder an den Enden mit jeweils einer Aufhänge- oder Befestigungsvorrichtung sowie entlang des Federwegs mit einer Skala und einem Zeiger versehen. Aufwendigere Bauformen, sogenannte Zeigerschnellwaagen, bestehen aus einem Gehäuse mit kreisförmiger Skala und einem entsprechenden Zeiger. Hinter dem Ziffernblatt sind meistens zwei Schraubenzugfedern angeordnet, an deren unterem Ende ein Lastaufnahmehaken montiert ist, der aus dem Waagengehäuse herausragt. Die Bewegung des Federnpaares wird mittels Zahnstange und Zahnrad auf die Zeigerachse übertragen. Übliche Belastbarkeiten und Skalenteilungen: 10 kg / 50 g, 25 kg / 100 g, 50 kg / 200 g, 100 kg / 500 g, 200 oder 300 kg / 1 kg.
Es gibt auch hochwertige Tischwaagen mit einem großen Kreiszeiger-Messkopf für die Verwendung in Industrie, Handel und Labor, die nach dem Federwaagen-Prinzip arbeiten. Hierbei handelt es sich i. d. R. um solide Geräte in schweren Metallgehäusen mit großen Anzeigen hinter Glas. Die üblichen Wägebereiche und Skalenteilungen sind 25 kg / 50 g, 50 kg / 100 g und 100 kg / 200 g, wobei meistens noch eine geschätzte Ablesung zwischen den Skalenteilen möglich und hinreichend genau ist. Diese Waagen werden heute (2011) nur noch von sehr wenigen Herstellern gebaut. Sie fanden weite Verbreitung in Poststellen/-filialen, Großküchen, Werkstätten und Laboren und wurden bzw. werden wegen ihrer unkomplizierten Handhabung geschätzt (bei Laufgewichtswaagen müssen Schiebegewichte betätigt werden, elektronische Waagen müssen ein- und wieder ausgeschaltet werden).
Als „geeignet“ für den jeweiligen Messzweck ist eine Feder, die zum einen über den Bereich ihrer reversiblen Dehnung eine Krafteinwirkung in der gewünschten Größenordnung zulässt und zum anderen entlang des vorgesehenen Federwegs einen proportionalen Zusammenhang zwischen Kraft und Weg aufweist, d. h. durch eine Federkonstante gekennzeichnet werden kann.
Wird an das untere Ende einer aufgehängten Federwaage ein Körper gehängt, so wird die Feder unter der Einwirkung der Schwerkraft gedehnt und die Gewichtskraft bzw. – wegen Berücksichtigung des Ortsfaktors in der Skala – die Masse des Körpers angezeigt.
Bei Bestimmung der Masse mit einer Federwaage ist zu beachten, dass die Größe der Schwerebeschleunigung sowohl nach geografischer als auch nach topografischer Lage örtlich verschieden ist (daher auch die Bezeichnung Ortsfaktor). Eine unter 45° Breite auf Gewicht geeichte Federwaage zeigt z. B. am Äquator um 0,26 % zu wenig, nahe den Polen aber um 0,26 % zu viel an. Auf dem Mond wäre der entsprechende Anzeigewert nur ein Sechstel von dem auf der Erde. Diesen Effekt haben Waagen mit Gegengewichten nicht, andererseits sind nur Federwaagen für Schwerkraftbestimmungen geeignet.
Messgenauigkeit
Die Messgenauigkeit einfacher rohrförmiger Modelle ist meist nicht groß; sie wird durch bauliche Merkmale (Reibung, Klemmung der Feder im Gehäuse), zu grobe oder zu kleine Skalenteilung und ungünstige Ablesemöglichkeit (kleine Ziffern) negativ beeinflusst. Besser ablesbar sind Hängewaagen mit Kreiszeiger-Instrument. Die oben genannten großen Tischwaagen stellen die besonders hochwertige Bauart dar und werden herstellerseitig meistens mit einer Genauigkeit von 0,2 % des Skalen-Endwertes angegeben, zeigen bei schonender Behandlung und regelmäßiger Wartung jedoch praktische Genauigkeiten von 0,1 % des Skalen-Endwertes. Ihre Genauig- und Handhabbarkeit wird gegenüber den einfachen Modellen durch aufwendigere Verarbeitung, höherwertige Materialien, sorgfältigere Justierung sowie durch in Hartmetall-Schneiden gelagerte Hebelmechaniken und durch Schwingungsdämpfung (Öldämpfer) begünstigt.
Kraftmesser für Technik und Physik
Siehe Hauptartikel Kraftmessung.
- Das Gravimeter ist eine Präzisions-"Federwaage" (Schrägbalken) für Geophysik und Geodäsie. Damit wird das Erdschwerefeld bestimmt (9,5 bis 9,9 ± 10−8 m/s²).
- Ringkraftmesser zur Messung von mechanischen Zug- und Druckkräften
- Drehwaage (Torsionswaage) zur Bestimmung der Gravitationskonstante (1798)
Siehe auch
- Waage
- Photonenwaage – Gedankenexperiment von Albert Einstein
Weblinks
- http://www.admin.ch/ch/d/ff/2002/2607.pdf (Zulassung zur Eichung; PDF-Datei; 31 kB)
- Kraftmesser mit Abbildungen (LEIFI)
- Christof Windgätter: "On the Historiography of the Dynamometer"