Римские весы как сделать
Самодельные весы своими руками: как сделать? Советы +Видео
Самодельные весы. Как сделать весы в домашних условиях? Самодельные весы для бытового использования вполне по силам рачительным хозяйкам и даже школьникам.
Простые и не особо затратные конструкции самодельных весов для детей можно изготовить вместе с ними в образовательно-развлекательных целях.
Общие сведения
Весы, изготовленные своими руками, по внешнему виду и способу исполнения можно разделить на:
Первые три из названных вариантов без особых усилий и материальных затрат можно сделать, используя подручные материалы, имеющиеся в каждой квартире.
Равноплечие домашние весы
Равноплечие самодельные весы для измерения граммов похожи на качели, для их выполнения нужна ровная планка (линейка, спица, ровная палка и т.п.). На края планки крепятся «чашки» (маленькие пластиковые мисочки или крышки от бутылок).
В них на равных расстояниях пробивают три дырочки, в которые закрепляется нитка или леска. Перпендикулярно центру планки присоединяется маленькая планочка. Она сыграет роль стрелки, фиксирующей уравновешивание плеч. Затем весы закрепляются на подставке и эффективно используются по назначению.
Известные всем со школьной скамьи равноплечие весы изготавливаются из карандаша, закреплённого тяжёлым учебником на краю стола, линейки, висящей на нём в виде качелей.
Карандаш должен быть расположен точно по центру линейки. Это называется определить центр тяжести.
На один конец линейки кладут предмет определённого веса, а с другой стороны – измеряемый груз. таким способом можно взвесить негабаритные объекты, вес которых не более 50 г. Из-за того, что существует опасность, что линейка переломится. Также имеется опасность, что она перевернётся, исследуемые сыпучие материалы рассыплются.
Используя обозначенный принцип, изготавливают простейшие весы для более габаритных и весомых объектов. Вместо линейки используют доску, а взамен карандаша берут, например, полено.
Плечевые весы
Это неравноплечие приборы измерения веса, поскольку чаши в данном случае передвигаются по планке. Такие устройства помогут измерять не только вес любых предметов, но и мерять любые сыпучие продукты
Планку для этих весов берут тонкую, и тогда целесообразнее пробивать не дырку, а просто канавку.
Далее нужно установить стрелку, например из иголки или чего-нибудь подобного для фиксации отклонения весов. Следующим этапом отмеряются одинаковые отрезочки в обе стороны от центра — точки подвеса, и производится калибровка. разумнее нанести там насечки, так как в процессе измерения веса чаши могут соскальзывать.
Чашами так же могут быть крышки от бутылок, пластиковые стаканчики и мисочки, но тут они не закрепляются на рейке, а подвешиваются на ниточках.
Рычажные весы
Способ 1
Необходимо взять длинную прямую палку, линейку, не короче 30 — 35 см. В данной схеме она играет роль коромысла.
Чем длиннее плечо коромысла, тем точнее будут результаты.
Далее на этом «коромысле» нужно найти центр, в обе стороны от отмеченного центра замерить равные отрезки, чтобы установить чаши. В этих точках просверлить дырочки. В середине закрепить прочную синтетическую нить. Для чаш подойдут опять же крышки от бутылок, или обрезанные пластиковые стаканчики. Соединить узлом нити от чаш к рейке. По верхнему периметру у чашек на равных расстояниях друг от друга просверлить 3-4 дырочки, через них провести прочные нити и завязать.
Изготовьте стрелку весов, можно вырезать картонный треугольник. Прикрепить в центре рейки в месте прохождения главной нити. Добейтесь, чтобы натянутая нитка проходила посередине картонного треугольника. Подвесьте весы на центральной нитке на опору: крючок или гвоздь. Откалибруйте весы.
ВАЖНО!
Чтобы верхушка стрелки-треугольника в подвешенном состоянии четко совпала с натянутой ниткой, на дно соответственно более лёгкой чаши можно прилепить кусочек пластилина.
Гирьки для таких самодельных весов можно найти в специальном магазине, либо использовать в их качестве монеты, либо использовать одинаковые таблетки, их вес указывается на упаковках.
Способ 2
Расскажем об ещё одних самых несложных рычажных весах. Для этого применяется висящая в любом шкафу вешалка-плечики. К плечикам для одежды подвешивают с обеих сторон чашки или пакеты. С одной стороны в них кладут предметы известного веса. Подойдут, например, фабричные упаковки с сахаром, крупами, можно взять и бутылки, наполненные водой.
Как изготовить весы в походных условиях
Многие сталкивались с потребностью измерить вес чего-нибудь на природе. Для решения этой задачи можно смастерить весы из пластиковых бутылок. В бутылке по бокам сверху ближе к горлышку прорезаются одинаковые вертикальные отверстия, размером 1 см на 5 см. В них вставляют палочку или соломинку.
К её концам на нитках привязывают либо взвешиваемый предмет и груз известной массы, либо две пробки от бутылок. В одну кладут измеряемый предмет, в другую – противовес. Логично, что данное устройство позволит взвесить лишь лёгкие предметы. Но сам принцип прекрасно применим и в случае с габаритными предметами.
Для этого находят толстую прочную палку, подвешивают её за середину к прочному сучку, либо к перекладине.
Палка должна висеть очень ровно.
С разных сторон к ней привязывают взвешиваемый предмет и груз известной массы. Его роль могут выполнить опять же бутылки с водой, нераспечатанные упаковки с крупой/солью/сахаром. Приблизительную массу таким способом измерить нетрудно.
Самодельные весы для достаточно габаритных предметов
Можно в домашних, либо походных условиях выполнить весы и для предметов до 100 кг.
Для их выполнения понадобятся:
Сама схема конструкции представлена на нижеследующей схеме.
По схеме понятно, величины 10 и 100 см выбраны не спроста. Данные с безмена нужно будет увеличивать в 10 раз. Необходимо точно расположить отверстие на бруске 1. Для подвешивания предмета можно применить хомут (а). Двигая хомут с известного веса грузом по бруску 1, следует определить его правильное месторасположение, закрепить в этом месте гвоздём. Если понадобятся весы для грузов свыше 100 кг, то бруски для конструкции нужно взять длиннее. Но всегда второй больше первого в 10 раз (например, 15 и 150 см, тогда груз предположительно должен весить до 150 кг), а показатели безмена умножать на размер длины первого (в примере соответственно на 15).
Как самостоятельно сделать электронные весы
Изготовить электронные весы своими руками — не самая простая задача. Прежде необходимо тщательно изучить составные части и принцип работы.
Внешние составляющие — это:
Измеряемый груз осуществляет давление на неё за счет своей силы тяжести. В зависимости от веса, сила давления измеряемого объекта на платформу пропорционально изменится. На экране выведутся числовые значения.
Преобразованию данных по давлению способствуют:
Изготовление весов своими руками предполагает внимательное изучение каждого из перечисленных устройств, их разновидностей, чёткое определение того, что требуется именно вам.
Сердцем электронных весов можно считать тензодатчик. Тензорезистор, на котором базируется тензометрический датчик, обладает свойством, заставляющим его изменять сопротивление при деформации.
На тензодатчик идёт напряжение, на выходе принимающее измененное значение, взаимодействуя с тензорезистором.
Аналого-цифровой преобразователь это значение напряжения преобразует в цифровой код, который потом обрабатывает микроконтроллер. А на экран выводится весовое значение. Это происходит в одно мгновение.
Тензодатчиков существует несколько видов:
При выборе тензодатчиков, учитывайте, дальнейшие условия его использования. Для качественного функционирования они должны быть надёжно защищены от влаги, пыли. Также перед установкой тензометрического датчика тщательно изучите схему подключения. От тензодатчика к аналого-цифровому преобразователю должен идти неповрежденный сверхкачественный провод.
Соединить несколько тензометрических датчиков чрезвычайно непросто. Если хотите, чтобы данное соединение гарантировано получилось качественным целесообразнее доверить эту задачу профессионалу.
Платформу производят из нержавейки. Её срок службы неограничен, что она позволяет работать с ней в агрессивной среде без последствий. С производством такой платформы могут помочь в организации, специализирующейся на металлопрокате.
Корпус для настольных электронных весов выполняют из пластика, а напольных, промышленных конечно из металла. Изготовить корпус для промышленных весов может квалифицированный сварщик. Корпус требуется покрасить, чтобы защитить от коррозии.
Всегда при производстве самодельных приспособлений ставится цель — сэкономить деньги, но изготавливая электронные весы своими руками, есть риск и лишиться зря затраченных денег, если не подойти к процессу серьёзно и обдуманно. Затраты на составляющие достаточно высоки. Стоит очень внимательно разобраться с инструкциями.
Самодельные весы для контрольного улья
Чтобы узнать вес ульев, народные умельцы предлагают пасечникам несколько приспособлений, выполняемых своими руками. Например, схема, представленная на следующем рисунке. Чтобы воспользоваться этим вариантом берутся блоки, весы, стальной трос.
Погрешность составляет не более 100 грамм. Установить погрешность можно, умножая точность весов на количество используемых блоков.
В более сложной установке уже используется тензометрический датчик. Снизу установка надёжно фиксируется, подсоединяется датчик, электронный блок и кнопка для включения блока питания. Их размещают в легкодоступном месте.
Верхняя незафиксированная часть, расположенная на рычаге, соединяется с базовой частью с помощью 2 пружин. К базе прикрепляется рама, состоящая из уголка и подшипников, к ней приваривается большая гайка, в гайку затем вкручивается ручка. Ручка служит для последующего поднимания весов с рамой.
Начиная взвешивать домики пчёл, под дно улья располагают деревянные бруски толщиной примерно в 5,5 см. В пустое пространство под ульем можно вставить весы. Нажимаем кнопку включения питания, на экране появляются нули (это установка автоноля). Крутя ручку, приподнимается и замеряется его вес. После чего ручку вращаем в другую сторону, чтобы снять с весов нагрузку.
В основе всей конструкции взяты обычные весы в металлическом корпусе, оснащенные одним тензодатчиком, шириной 340 мм.
Используя эти весы, взвешивают все пчелиные домики. Определив, сколько весит пустой пчелиный домик, можно с очень большой точностью узнать вес самих пчелиных семей и произведённого ими мёда.
Известно, что обычно пасечники электронные весы недолюбливают из-за необходимости перехода на автоноль всякий раз после замера. В данном методе перед взвешиванием это решаемо поворотом рычага, это заметно сокращает затрачиваемое время.
Старинные весы. Взвешивание
Готовя урок ко «Дню самоуправления» по теме «Весы. Определение массы тела», который должны были провести 11-классники для 7-классников [1], я натолкнулся на несколько задач о старинных весах-безменах, которые мне показались интересными ещё и потому, что в ходе урока «учителя»-одиннадцатиклассники ставили демонстрации с весами, устройство которых в этих задачах разбирается. Для 7-го класса задачи эти явно сложные, но в 9–10-х классах их разбор довольно интересен.
Как уже упоминалось в [1], при раскопках Помпей были найдены всевозможные варианты весов (рис. 1), которые объединяет одна конструкция, – все они построены на неравноплечном рычаге [2]. На конце короткого плеча подвешивалась чаша для взвешиваемых тел, а на длинном плече была укреплена неизменная (т.е. неизменной массы) гиря, которую при взвешивании передвигали по этому плечу так, чтобы получилось равновесие. На длинном плече была нанесена равномерная шкала, деления которой соответствовали положениям гири, когда на чашке лежали тела кратной «эталонной» массы.
Рис 1. Безмены, найденные при раскопках Помпей
Ещё совсем недавно на рынках ближайшего Подмосковья можно было встретить безмен, фотография которого представлена на рис. 2, а. Его шкала также равномерная (проградуирована в данном случае в фунтах). Этот безмен конструктивно отличается от римского безмена, назовём его условно торговым. И решим задачу, предложенную А.В.Цингером для обоих видов безменов с равномерной шкалой [3].
Рис. 2. Торговый безмен: а) общий вид: показаны оси рычага; б) схема для расчёта
• [3] № 239. Докажите, что деления так называемых «римских весов» отстоят друг от друга на одинаковые расстояния.
Римский безмен. Пусть вес груза Р, вес гири Q, а Мg – сила тяжести, действующая на сам безмен, рис. 3. Напишем уравнение моментов относительно точки О (плечи сил см. на рис. 3):
Р ∙ l0= Q ∙ x + Mg ∙ l,
Рис. 3. Римский безмен
Таким образом, x изменяется линейно с весом груза, значит, шкала равномерная. Пусть Р0 – вес груза эталонной массы m0 = 1 фунт, тогда соответствующее плечо Δx будет шагом фунтовой шкалы:
• Торговый безмен. Устройство более современного безмена представлено на рис. 2, б. Роль неизменной гири играет коническое утолщение слева, которое неподвижно, Q – суммарная сила тяжести безмена. Подвижная часть состоит из подвеса с осью (т. О2), на которую опирается через неизменное плечо l0 крюк с грузом Р, причём крюк также способен поворачиваться вокруг своей оси (т. О3). При взвешивании груза безмен держат в руке, а подвижная часть смещается вдоль длинного плеча l. То есть конструкция безмена аналогична «римскому», плечо груза неизменно и равно l0, уравнение моментов аналогично: Р ∙ l0= Q ∙ x; шаг шкалы определяется такой же формулой: 
Разобрав на уроке одну задачу, другую можно с успехом дать на дом. Стоит лишь обратить внимание на существенный момент: устроить равномерную шкалу прибора можно лишь тогда, когда параметр, который лежит в основе измерения, меняется в общем случае линейно: ртуть расширяется линейно с температурой в жидкостном термометре, длина пружины увеличивается линейно в динамометре, сопротивление – в термометре сопротивления и т.п. Если же зависимость носит более сложный характер, то шкала получается неравномерной, что во многих случаях не только неудобно, но и сказывается на точности измерений. В этом смысле представляет интерес следующая задача.
• [3] № 240. Примитивные старинные весы (рис. 4) состоят из стержня, на одном конце которого находится постоянный груз, а на другом – крюк для взвешиваемых тел. При взвешивании кольцо К помещается в таком месте стержня, что получается равновесие. Для градуирования этих весов к крюку последовательно привешивают грузы в 100 г, 200 г, 300 г и т.д., а на стержень наносят деления, отмечающие положение кольца при этих грузах. Докажите, что деления должны получаться не на одинаковых расстояниях друг от друга, а всё ближе друг к другу по мере возрастания числа граммов.
Рис. 4. Русский, или скандинавский, безмен. Шкала обозначена точками
Рис. 5. Схема расчёта моментов сил для русского безмена
Распишем уравнение моментов относительно подвижной точки О2 (рис. 5). Под Q следует понимать силу тяжести, действующую в целом на безмен:
Пусть вес эталонного груза Р0, а расстояние между двумя рисками, отвечающими nР0 – Δx и (n + 1)Р0, и пусть Q = kР0 для упрощения рассмотрения вопроса.
– масса безмена (взвешиванием на бытовых весах) M = (1,42 ± 0,04) кг;
– длина l0 = (38,25 ± 0,25) см – путём уравновешивания безмена без груза,
а также проведена экспериментальная градуировка с помощью торговых гирь. Результаты представлены ниже – в таблице и на графиках. Измерялось расстояние от крюка до середины петли, которое затем пересчитывалось на расстояние до центра тяжести. Было проведено три серии измерений с шагом 500 г, что близко к основной дореволюционной единице измерения фунту: 1 фунт = 405,9 г. Ручным безменом можно измерять массу до пуда (1 пуд = 40 фунтам), поэтому для проверки использовался ещё и калиброванный груз (гантель) массой 8 кг. Точность измерения расстояния не превышала 2,5 мм (толщина верёвки).
Рис. 6. Расстояние от центра тяжести безмена до точки привеса груза в зависимости от его массы
Данные серий измерений были нанесены на график, на котором также изображена расчётная кривая, построенная исходя из измеренных М и l0. Данные эксперимента хорошо иллюстрируют нелинейный характер зависимости: если на начальном этапе изменение положения петли в 2,5 см соответствует 0,5 кг, то в конце зависимости эти же 2,5 см характеризуют увеличение массы груза на 4 кг. Экспериментальные точки хорошо следуют расчёту, значит, полученная формула имеет практическую ценность! Однако все значения лежат чуть выше, что связано с наличием некоторой систематической ошибки измерений, возможно, из-за того, что крюк безмена – самодельный (обычно у старинных безменов он утерян) и не строго вертикален.
Чтобы проиллюстрировать неравномерность старинной шкалы, были измерены расстояния от центра тяжести безмена до загадочных меток, которые изображены на графике в виде горизонтальных линий, а по оси абсцисс отложена масса в фунтах. С учётом неточности измерений, а также «конструктивных» изменений – новый крюк, – старинная шкала выглядит, как показано на рис. 7.
Рис. 7. Калибровка шкалы безмена
Итак, задача «из Цингера» решена, старинные безмены, которые не только встречаются на «развалах» для туристов в небольших городах России, но и всё ещё хранятся во многих домах, являются простым физическим прибором, работу которого можно изучить на дополнительных часах физики, ведь приветствуется же сейчас проектная деятельность. При этом в рамках этих простых задач рассматриваются вопросы статики, устройство равномерных шкал измерений, сравнение результатов эксперимента с теоретической зависимостью, графическое представление материала, элементы истории физики: единицы массы (веса), приборы.
Римские безмены с равномерной шкалой применялись вплоть до самого недавнего времени, «русский» безмен употреблялся в деревнях в некоторых семьях даже и в послевоенную эпоху – в силу простоты изготовления, – на исследованном экземпляре до сих пор видны чёрточки калибровки, между которыми нанесены «фунтовые» точки-метки. И это, несмотря на то, что использование безмена с переменной точкой опоры было запрещено указом эпохи Павла I двести двенадцать лет назад (в 1797 г.) – по «способности к обману» вследствие сильной неравномерности шкалы – с заменой таких безменов на «контари», безмены с неподвижной точкой опоры [4]. Простота изготовления позволяет и самим школьникам сделать и откалибровать свои безмены – по образцу старинных русских, и здесь будет развиваться важное для физика-экспериментатора качество – умение работать руками.
* Впрочем, в Московском музее археологии можно увидеть миниатюрный русский безмен XVII в.
Римские весы I века
Реконструкция и тест
Начинающих нумизматов часто смущает сильный разброс веса римских денариев — даже одноштемпельные монеты из одного клада имеют равный вес.
Причины колебания веса денариев подробно разбираются в статье «Как римляне делали свои монеты?» Дмитрия Брацуна («Антиквариат, предметы искусства и коллекционирования», № 11 (71), 2009).
Тем не менее некоторые нумизматы уверены, что вес античных монет, в частности римских денариев, колеблется лишь потому, что античные мастера попросту не могли точно отвешивать металл для монетных заготовок.
Когда мне попалось в продаже абсолютно целое коромысло от римских равноплечих рычажных весов I века н. э. (илл. 2), я раздумывал недолго. Удержаться от покупки было невозможно. Решено было реконструировать эти римские весы и проверить, насколько они точны. Отсутствие остальных деталей весов меня не смущало, поскольку точность взвешивания на рычажных весах обусловлена прежде всего точностью коромысла.
Длина коромысла этих римских весов практически совпала с длиной коромысла современных аптекарских рычажных весов 1976 года выпуска. Длина римского коромысла — 206 мм, длина современного коромысла — 197 мм. Разница составила всего 9 мм.
Наиболее подходящий рисунок римских равноплечих весов, по которому и решено было воссоздать недостающие детали, я нашел в книге С. Джеймса «Древний Рим». Коромысло изображенных в книге весов (илл. 3) оказалось полностью идентично нашему коромыслу (илл. 2). Дополнительный передвижной грузик, который можно увидеть на левом плече коромысла изображенных в книге весов (илл. 1), при взвешивании легких заготовок применять нецелесообразно, такой дополнительный элемент удобно использовать только при взвешивании гораздо более тяжелых предметов (я проверил это экспериментально), и лишь на весах большего размера.
Грузик этот действует подобно кнопке «TARE» (тарирование) на современных весах, дает поправку к весу, компенсируя вес тары. Это довольно удобно при взвешивании расфасованного товара.
Поскольку меня интересовало лишь взвешивание драгоценного металла для монетных заготовок, я позволил себе пропустить этот дополнительный элемент, лежащий за рамками нашего эксперимента. Добавление в конструкцию весов этой гирьки переводит всю конструкцию в некий гибрид рычажных весов и весов безменного типа, мы же будем рассматривать простейшие равноплечие рычажные весы, подобные тем, что держат в руках часто присутствующие на римских монетах персонификации JUSTITIA, MONETA, AEQUI- TAS (илл. 1).
Для начала коромысло было очищено от грязи, после чего можно было приступать собственно к реконструкции.
Из листовой меди были изготовлены две чаши одинакового размера и веса (илл. 4).
В качестве цепи для подвешивания чашек был выбран один из самых древних способов вязки цепей «звено в звено», который в книге «Classical Loop-in-loop Chains» Дж. Р. Старка относится к самым древним видам плетения цепей, достигшим своего расцвета в римский период. Вполне возможно, что древние римляне назвали эту цепочку «патрицианская», «цепь кесаря» или еще более звучно. Увы, в наши дни ювелиры называют такое плетение «унитазная цепочка».
Жена и сын автора, получив «заказ» и моток медной проволоки, за пару часов связали необходимое количество цепи (илл. 5).
С креплением чашек к коромыслу проблем не возникло (илл. 6).
Не много времени ушло и на изготовление верхнего крючка (илл. 7).
Итак, римские весы готовы. На реконструированных весах была проведена серия взвешиваний. Гирьки применялись современные, от аптекарских весов. Каждый результат, полученный на римских весах, затем сверялся с показаниями современных электронных весов (илл. 8).
Результаты такого сравнения частично приведены в таблице.
Чувствительность весов, с современной точки зрения, оставляет желать лучшего.
Самая большая проблема — почувствовать, когда чашки весов уравновешены, так как нет привычной стрелки, по которой можно определить перекос коромысла в ту или иную сторону. Это главный недостаток данных весов. Как только разница в весе между содержимым чашек снижается и приближается к 0,2 грамма, колебания весов начинают затухать, чаши останавливаются, и приходится лишь гадать, на какой чаше весов оказались эти пресловутые лишние 0,2 грамма.
Под конец эксперимента мною была применена хитрость — если не было понятно, в какую сторону перевешивают остановившиеся весы, я их специально раскачивал, чтобы понять, в какую сторону коромысло больше отклоняется (т. е. на какой из чаш груз тяжелее). Результаты взвешивания стали немного точнее. Допускаю, что аналогичные хитрости вполне могли использовать и древние весовщики.
Чем больше был вес предмета, тем меньшая получалась погрешность взвешивания по отношению к массе взвешиваемого предмета.
Как видим, расхождение показаний римских и электронных весов находится в диапазоне от 0,04 до 0,23 грамма.
Много это или мало?
Если бы мне, к примеру, пришлось отвешивать на этих весах серебро для римских денариев по 3,80 грамма, то я мог бы гарантировать, что мои денарии будут весить от 3,57 до 4,03 грамма. Максимальное отклонение от среднего веса денария у меня составляет 6%.
Вроде многовато. Но на самом деле ремедиум римских денариев таков, что вес отдельных монет отклоняется порой от средних показателей в рамках одного выпуска на 20% и даже больше.
Весы, которые я реконструировал, явно не были предназначены для точного взвешивания драгоценных металлов. Они для этого великоваты и недостаточно чувствительны.
Думаю, что крошечные весы, изображенные на квадрансе императора Клавдия (илл. 9), или весы, найденные при раскопках Помпей (илл. 10), при их миниатюрности (и, следовательно, меньшей инертности) обладают куда большей точностью взвешивания.
Но даже на моих «тугих» весах можно было бы достичь меньшего отклонения веса денариев, чем мы имеем в реальности. Обнаруженный при раскопках набор античных гирек пяти номиналов (890, 370, 220, 170, 50 мг) лишний раз доказывает, что античным мастерам была доступна точность взвешивания до 0,05 грамма.
Выходит, что значительный разброс веса римских серебряных монет вызван вовсе не отсутствием возможности точного взвешивания, а другими особенностями производства.
Проведенный эксперимент лишний раз доказывает, что римляне не контролировали вес каждой отдельной монеты, а выдерживали лишь общее количество монет, получаемых из фунта серебра.
Журнал «Антиквариат, предметы искусства и коллекционирования», № 82 (декабрь 2010), стр.122