Waage
Eine Waage ist ein Messgerät zur Bestimmung einer Masse.
Die Messung der Masse erfolgt üblicherweise über die Gewichtskraft: Die Gewichtskraft eines Körpers 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 ist deshalb für das Ergebnis unerheblich. Bei beiden Arten wird der Wägewert durch den statischen Auftrieb in der Luft beeinflusst. Je nach der benötigten Genauigkeit werden diese Einflüsse vernachlässigt oder durch geeignete Maßnahmen berücksichtigt.
Zusammenhang von Masse und Gewichtskraft
Es gilt der Zusammenhang
In dieser vereinfachten Gleichung sind vernachlässigt (was je nach geforderter Genauigkeit zulässig ist):
- Die unterschiedliche Schwerebeschleunigung an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche oder zu verschiedenen Zeiten,
- der hydrostatische Auftrieb des Wägeguts im umgebenden Medium (meistens Luft),
- magnetische Interaktionen von Wägegut, von Komponenten der Waage oder von umgebenden Gegenständen,
- elektrostatische Interaktionen.
Eigenschaften
Waagen können mit folgenden Eigenschaften charakterisiert werden:
- Wägebereich
- Ablesbarkeit
- Genauigkeit (siehe auch: Genauigkeitsklasse eines Wiegesystems)
- Wiederholbarkeit
- Linearität
- Größe (variabel)
- Position (z. B. Tischwaage, Bodenwaage, Kranwaage)
Geschichte
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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:
- eine einfache Federwaage wird volkstümlich auch „Lumpenwaage“ genannt
- höherwertige Federwaagen in runder Bauform mit Zeiger (Zeigerschnellwaage)
- Haushaltswaage, ein Hand-/Tischgerät bis etwa 10 kg
- Küchenwaage und Babywaage, bis 5 oder 10 kg
- Personenwaage für das Körpergewicht (meist bis 130 oder 150 kg, Genauigkeit 0,1 bis 3 kg).
- Standgeräte für industrielle Zwecke oder im Handel (Wägebereich/Skalenteilung meist 25 kg/50 g, 50 kg/100 g oder 100 kg/200 g, Genauigkeit 0,1–0,2 %).
- Membranwaagen und Barometer
- Mikrowaagen und Präzisions-Federwaagen für Labore, den Physikunterricht etc., Genauigkeiten 0,1–0,5 %.
Wägen durch Massenvergleich
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.
- Eine Balkenwaage misst die Balance zweier durch die Gewichte von Wägegut und Eichgewicht erzeugten Drehmomente. Im einfachsten Fall ist es ein im Drehpunkt gelagerter Waagebalken, an dessen Enden zwei Waagschalen im selben Abstand vom Drehpunkt aufgehängt sind. Eine früher in vielen Haushalten und Küchen anzutreffende Variante der Balkenwaage ist die Tafelwaage (Roberval-Waage), bei der die Waagschalen an einem Hebel-Parallelogramm befestigt sind und sich oberhalb des Waagebalkens befinden.
- Eine Schnellwaage, auch Laufmassenwaage oder Laufgewichtswaage, früher auch Besemer[1] genannt, besteht aus einem Stab, der beim Wägevorgang in zwei ungleiche Hebelarme aufgeteilt wird. Am einen Hebelarm befindet sich das Ausgleichsgewicht, am anderen ein Haken zum Aufhängen des Wägegutes. Das Verhältnis der Hebelarme kann mit einer Zunge und Handhabe verschoben werden, bis bei angehängtem Wägegut Gleichgewicht eintritt. Schnellwaagen wurden bereits in vorchristlicher Zeit von Griechen, Römern und Chinesen verwendet. An dem Stab kann sich eine Skala befinden.
- Eine Dezimalwaage ist für größere Lasten geeignet. Sie arbeitet ebenfalls nach dem Prinzip des zweiseitigen Hebels und ist so konstruiert, dass zum Beispiel eine zu wägende Masse von 100 kg mit einem Referenzgewicht von 10 kg aufgewogen wird.
- Eine Neigungswaage misst die Auslenkung eines festen Gewichts an einem Hebelarm. Dieses Prinzip wird bei vielen Briefwaagen verwendet.
- Massenvergleiche können auch auf ein-schaligen Waagen (oder auf zweischaligen Waagen, bei denen eine Schale mit einem Gegengewicht belegt bleibt) mit Hilfe einer geeigneten Prozedur (Substitutionswägen, Borda-Substitution.[2] ) durchgeführt werden. Dies ist das übliche Verfahren für Massenvergleiche auf Massekomparatoren zur Kalibrierung von Gewichtstücken. Dieses Verfahren erzeugt die höchsten Wäge-Genauigkeiten und kann auf mechanischen und elektronischen Waagen angewendet werden.
Römische Schnellwaage aus Pompeji
Laufmassenwaage mit Skala
Waage für Schüttgut, nach dem Prinzip der Dezimalwaage
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.
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 ist es möglich, dass mit einer kleineren Gegenkraft eine größere Kraft auf der Waagschale im Gleichgewicht gehalten werden kann. Der kraftproportionale Spulenstrom wird gemessen und, umgerechnet in Masse, angezeigt.[3] Bei diesem Prinzip entsteht keine Verformung, was zu einer höheren Genauigkeit gegenüber verformenden Prinzipien führt.
Elektromechanische Waagen für Industrie und Transport
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 als Vergleich aufgelegt. Übliche elektronische Waagen können diese Funktionalität in Form einer Software in ihrem Bedienumfang enthalten.
Besondere Waagen für Technik und Physik
- Sechs-Komponenten-Waage: Durch Messung der drei Kräfte und der drei Drehmomente in einem orthogonalen Koordinatensystem lassen sich mit einer solchen Waage beispielsweise in einem Windkanal alle Wirkungen der Luftströmung auf ein Modell messen.
- Gravimeter für Geophysik und Geodäsie: Präzisions-„Federwaage“ (Schrägbalken) oder mit Supraleitung, Messung des Erdschwerefeldes von 950 bis 990 Gal ± 0,001 mGal (1 Gal = 1 cm/s²).
- Drehwaage (Henry Cavendish bestimmte 1798 mit einer Drehwaage die Gravitationskonstante)
- Watt-Waage: Sie vergleicht mechanische mit elektrischer Leistung; Verwendung ist die Realisierung der SI-Einheit Kilogramm gemäß gültiger Definition.
- Komparatorwaage oder Massekomparator zum Vergleich von Massestücken. Genaueste Geräte erlauben Messungen im Vakuum (0,005 mbar). Das vermeidet erforderliche Korrektionen wegen unterschiedlichem statischen Auftrieb von Normal und Probekörper in der Luft. Der derzeit genaueste Massekomparator der PTB hat eine Standardabweichung von 1*10−10 kg.
- Cottonwaage (eine magnetische Waage) zur schnellen und genauen Gewichtsmessung von Münzen, erfunden von William Cotton während seiner Zeit als Direktor der Bank von England von 1842 bis 1845.
- Luftgewichtsmesser, Dichtemessgerät
Arten von Waagen
Nach Anwendung
Für Personen und den Haushalt:
Gewerblich:
- Apothekerwaage
- Geldwaage
- Kontrollwaage
- Ladenwaage
- Bienenstockwaage
- Bäckerwaage
Medizinisch:
- Bettwaage
Für Fahrzeuge:
Historisch:
Nach Bauart
- Balkenwaage
- Dezimalwaage, oft als Sackwaage mit Plateau und Wand zum Anlehnen des Sacks
- Federwaage
- Kranwaage
- Mehrkopfwaage
- Neigungswaage
- Ringkraftmesser
- Schalenwaage
- Tafelwaage
- Mondwaage mit elliptisch gebogener Blattfeder-Ellipse, innerhalb davon der geschützte Zeiger und mondsichelförmige Skala
- Zeigerwaage
Nach Genauigkeit
Präzisionswaagen erreichen Genauigkeiten bis 0,01 %. Einteilung nach Genauigkeit:
- Mikrowaage, z. B. mit einem Ziffernschritt von 1 µg
- Analysenwaage, z. B. mit einem Ziffernschritt von 0,1 mg
- Feinwaage, mit einem Ziffernschritt von 1 mg bis 100 mg
- Handelswaage
- Grobwaage
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.[4] 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“.[5]
Im Jahre 1927 wurde die Schreibung zur besseren Unterscheidung zu Wagen von Wage auf Waage geändert.[6]
Wägen und Wiegen
Die Verben wägen und wiegen bedeuten beide „das Gewicht bestimmen“, unterscheiden sich jedoch in der Wortgeschichte und im heutigen Wortgebrauch.
- Das ältere Verb ist wägen (ahd. wegan, mhd. wegen). Ursprünglich hatte es die Bedeutung „(sich) bewegen“. Das Präfix-Verb bewegen ist aus dem alten Verb wegen abgeleitet und hat dessen ursprüngliche Bedeutung übernommen. Für die Bedeutung „das Gewicht bestimmen“ entstand im 16. Jahrhundert unter dem Einfluss von wage (= Waage) die Schreibweise wägen (anstelle von wegen). Aus der Bedeutung „das Gewicht bestimmen“ entwickelte sich die übertragene Bedeutung „prüfend überlegen“, „erwägen“.[7]
- Das Verb wiegen ist eine jüngere Variante von wägen. Es entstand im 16. Jahrhundert aus zwei gebeugten Wortformen von wägen: (du) wiegst und (er) wiegt.[8]
- Im Präteritum und Perfekt ist kein Unterschied auszumachen, beide Wörter haben wog, gewogen; wägte, gewägt kommt nur in der übertragenen Bedeutung vor.
Das Bestimmen des Gewichts wird heute in der Allgemeinsprache fast nur mit dem jüngeren Verb wiegen ausgedrückt.[8] In der Fachsprache hat sich wägen jedoch gehalten. Darüber hinaus ist wägen in der Schweiz gebräuchlich.[7]
Das im Präsens gleichlautende Verb wiegen (aber schwach: wiegte, gewiegt) mit der Bedeutung „sanft hin und her bewegen“ ist von Wiege abgeleitet.[9] 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.[10]
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:
- Mit einer Wasserwaage wird die horizontale oder vertikale Ausrichtung überprüft.
- Die Setzwaage ist der historische Vorläufer der Wasserwaage. Mit einer Setzwaage kann nur die horizontale Ausrichtung überprüft werden.
- Eine Senkwaage dient zur Bestimmung der Dichte oder des spezifischen Gewichts von Flüssigkeiten. Ein bekanntes Beispiel ist die Mostwaage (auch Oechsle-Waage genannt), mit der die Dichte von Traubenmost gemessen wird. Die Messung des spezifischen Gewichts (= Gewicht pro Volumen) ist nahezu dasselbe wie eine Gewichtsmessung, insofern kann eine Senkwaage tatsächlich als „Waage für Flüssigkeiten“ gelten.
- Mit einer Drehwaage werden sehr kleine Kräfte gemessen, z. B. die Massenanziehung zwischen zwei Körpern.
Im allgemeinen Sprachgebrauch greifen einige Redewendungen auf das Bild der Waage zurück:
Literatur
- Heinrich Böll: Die Waage der Baleks
- Karl Erich Haeberle: Zehntausend Jahre Waage. Aus der Entwicklungsgeschichte der Wägetechnik. Bizerba-Werke, Balingen 1967.
- Hans R. Jenemann, Arno M. Basedow, Erich Robens: Die Entwicklung der Makro-Vakuumwaage. Wirtschaftsverlag NW u. a., Bremerhaven 1992, ISBN 3-89429-214-8, (PTB-Bericht - TWD 38).
- Manfred Kochsiek (Hrsg.): Handbuch des Wägens. 2. bearbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg, Braunschweig u. a. 1989, ISBN 3-528-18572-4.
- Roland Nater, Arthur Reichmuth, Roman Schwartz, Michael Borys, Panagiotis Zervos: Wägelexikon: Leitfaden wägetechnischer Begriffe. Springer, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75907-2.
- Richard Vieweg: Aus der Kulturgeschichte der Waage. Bizerba-Werke, Balingen 1966.
- Hans R. Jennemann: Über altägyptische Kleinwaagen und artverwandte Wägeinstrumente. In: Technikgeschichte, Bd. 62 (1995), H. 1, S. 1–26.
- Stephan Weyhe: Wägetechnik im Labor: Technologie und Anwendung. Verlag moderne Industrie, Landsberg/Lech 1997, ISBN 3-478-93160-6.
Weblinks
Einzelnachweise
- Besemer in Meyers Konversations-Lexikon, 4. Auflage (1885–1892), retrobibliothek.de
- 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)
- Funktionsweise der elektromagnetischen Kraftkompensation, in Technologiedifferenzierung – die erfolgreiche Strategie der Sartorius AG, S. 11 (PDF; 1,1 MB)
- Duden online: Waage
- Duden online: wagen
- Bekanntmachung des Reichsministers des Innern vom 5. Juli 1927 (Reichsministerialblatt 1927, Nr. 29, S. 205); Duden 1929, faql.de
- Duden online: wägen
- Duden online: wiegen (zu Waage und wägen)
- Duden online: wiegen (zu Wiege)
- Duden online: Wiege
- Duden online: Goldwaage