الجمعة، 9 ديسمبر 2016

الموازين

الموازين
 قبل الخوض في المصطلحات الفنية والعملية للميزان ، يجدر بنا أن نعرفه أولاً.
يعرف الميزان بأنه جهاز لتحديد كتل الأجسام وذلك بمقارنتها مع كتل معلومة، وتوجد عدة أنواع من الموازين منها:
1- الميزان ذو العاتق (Bean Balance) وله ثلاثة أنواع هي:
(i) الميزان ذو الكفتين (Double Pan Balance)
(ii) الميزان ذو الكفة الواحدة (Single Pan Balance)
(iii) ميزان الرافعة (Troque Balance )
2-   الميزان الزنبركي (Spring Balance)
3-   الميزان الرقمي (Digital Balance )
ظهرت كلمة كتلة في تعريف الميزان ولكنها لم تعرف تعريفاً كاملاً من خلال معارفنا السابقة . ولمعرفة ما نرمي إليه، تمعن في المثال التالي وما يليه من توضيح:
لنفرض أنه لدينا بص وسيارة صغيرة يراد دفعهما إلى الأما ، فهل العجلة التي تعمل عليهما لتزيد من سرعتها تكون متساوية ؟ بالتاكيد لا، لأن القوة تعتمد على مقدار المادة الموجودة في الجسم المراد زيادة سرعته ، أي أن العجلة تتناسب عكسياً مع الكتل. ومن هنا يمكن تعريف الكتلة بأنها (قابلية الجسم لمقاومة التغيير الذي يحدث في عجلته). وتقاس في النظام العالمي للوحدات بوحدة الكيلوجرام (kg). وكتلة أي جسم لا تعتمد على موقعه من سطح معين كما هو الحال بالنسبة لوزنه.

معادلة الميزان:Balance Equation
    لنفترض أنه لدينا قضيب منتظم من معدن ومعلق من منتصفه تعليقاً حراً . ثم وضعنا كتلة مقدارها (m) على إحدى نهايتيه ، فإن الطرف الأثقل سيدفع لأسفل ، أما وضعنا كتلة مقدارها (m) على النهاية الأخرى فإن القضيب سيعود لوضعه الأصلي بعد زمن قصير.



في محاولة لتحليل الشكل (a, b, c) نجد أن هناك ثلاثة مجموعات من القوى هي:
(i)                           القوة التي جعلت القضيب يدور.
(ii)                        القوى التي جعلت القضيب يهتز.
(iii)                      القوة التي أعادت القضيب لوضعه الأساسي.
هذه المجموعات الثلاثة من القوى تسمى على التوالي قوة الدواران (Torque) وقوة جذب الأرض (Gravition) وقوة الإتزان (Equilibrium).
وتهمنا هنا قوة الدوران (T) والتي يمكن تعريفها بالمعاد\لة التالية:
T = F.L
حيث (L) تمثل ذراع القوة المؤثرة (F)، وتعرف بأنها المسافة العمودية بين نقطة تأثير القوة ومحور الدوران. ومن الشكل، نرى أن فعالية قوة الدوران يحددها ذراعا القوة (L1,L2) مع القوتين (F1,F2).


      قوة الدوران يمكن أن تكون مع عقارب أو عكس عقارب الساعة. وقد أصطلح على أن تكون هذه القوة موجبة عندما يكون إتجاه حركتها مضاد لإتجاه حركة عقارب الساعة،وسالبة عندما يكون إتجاهها مع إتجاه حركة عقارب الساعة، ولحدوث الإتزان لابد من تساوى القوتين مقداراً.
      بدراسة الشكل (3) يمكن تسهيل فهم هذا الأمر.
      AB قضيب منتظم المقطع طوله (40cm) مثلاً، معلق من منتصفه (C) الذي يبعد 20 cm من كل من طرفية. علقت وزنات كل منها (10g) مثلاً عند النهايتين.
(1)                                                                                T = F.L …..         


من الشكلالسابق:
T1 = W1. L ….…….(2)             
T2 = W2.R ……….. (3)     
ولكن قوة الجاذبية الأرضية متساوية وثابتة، وهذا يعنى أن T1= T2 بقسمة المعادلة (2) على المعادلة (3) نجد:
(4)............. 1= w1.L
                w2 .r
ومنه نستنتج أن  
وهذه المعادلة تسمى معادلة الميزان.
الشكل 6 يمثل تخطيطاً لميزان العاتق ذي الكفتين.


القواعد العامة للوزن:
      عند إجراء عملية الوزن يجب إتباع الخطوات التالية والتى تتضمن، إضافة لتسلسلها، شرحاً مبسطاً لوظائف بعض أجراء الميزان، والخطوات هي:
·       أضبط خط إتزان الميزان بالنظر إليه من أعلى، وتأكد أن الكرة تقابل تماماً الثقب المخصص لها. إذا لم يكن الأمر كذلك فحرك في أزرار التسوية حتى يُضبط مستوى الميزان.
·       أجعل المؤشر يتحرك حراً (مسيباً كلياً) وذلك بلف مفتاح التحكم تماماً مع عقارب الساعة، ثم انتظر لفترة زمنية حتى يستقر المؤشر. أنظر لعدد الأقسام التي يقطعها المؤشر يمين وشمال الصفر، إذا تساوت هذه الأقسام فهذا يعتي أن الميزان جاهز للإستخدام. إذا لم يحدث هذا فإن الكفة الأثقل هي التي في الجهة ذات الإنحراف الأقل.
·       أرجع المؤشر لوضعه الطبيعي بلف مفتاح التحكم تماماً عكس عقارب الساعة.
·       أجعل مؤشر الميزان في الصغر بإستخدام التصفير وتحريكها نحو الكفة الأثقل.
·       في كل مرة تلف فيها زر التصفير. علق المؤشر ولاحظ الإنحراف الذي يحدث.
·       عند إضافة أو سحب أية أوزان علق المؤشر.

المصطلحات الفنية للميزان:

الخطأ الذراعي: Leverage Error
         إذا كان ذرعا الميزان مصنوعين من مادتين مختلفتين، تكون النتيجة هي تمدد هاتين المادتين بصورة مختلفة وكذلك يتغير مركز الجاذبية وتنتج قراءات خاطئة. وهذا العيب يسمى بالخطأ الزراعي ويعالج بإحدى طريقتين:
(i)                           ضبط الصفر عند نهايتي ذراع الميزان.
(ii)                        إختيار مادتين متماثلتى معمل التمدد، أو لهما معمل تمدد حراري متقارب

خطأ النقل: Transfer Error
   يحدث هذا النوع من الأخطاء نتيجة للحركة من الإنسان أو السيارات (تردد أفقي)، وكذلك حركة الجزيئات الداخلية للمواد (تردد طبيعي)، مما ينتج عنه عدم ثبات التدريج وتأثر الحد السكينى مما يقلل من حساسية الميزان ويعطي قراءات غير صحيحة. هذال النوع من العيوب يعالج بوضع الميزان في مكان خال من الإهتزاز.

خطأ الحساسية: Sensitivity Error
    إذا ضبط صفر الميزان ومستوى وضعه ثم ترك ليتحرك بحرية، فإذا لم يتوقف مؤشره عند الصفر فإن حساسية الميزان تكون قد تأثرت، ويمكن معالجة هذا الوضع كما يلي:
(i) ضع (10g) على كفة ميزان مضبوط المستوى ثم دعه ليتحرك بحرية.
(ii) تجاهل القراءة الأولى.
(iii) لاحظ وسجل أقى إنحراف للمؤشر من الناحية اليسرى (-).
(iv) سجل أقصى إنحراف للمؤشر من الناحية اليمنى (+).
(v) أعد الخطوات أعلاه ثلاث وأربع مرات ، ثم أجر العمليات الحسابية التالية (معطى أعداد كأمثلة):
أنحراف الجهة اليسرى (ثلاثي) هو -7 ، -8 ، -9
 إنحراف الجهة اليمنى (رباعي) هو 7 ، 8 ، 9 ، 10
تجاهل العلامات وخذ متوسط القراءات لكل جهة فتجد:
متوسط إنحراف الجهة اليسرى =             8
متوسط إنحراف الجهة اليمنى    =           8.5
أحصل على الفرق بين إنحرافي الجهتين  =  0.5
أقسم هذا الفرق على (2) فتجده   =    0.25 وحدة
   هذه القيمة تمثل الإزاحة من الصفر وبإضافتها إلى القراءة (حسب إتجاهها) نحصل على القراءة الوزنية الصحيحة.
خطأ الوثوق (الشك): Reliability Error
    إذا لم يكن الميزان موثوقاً بقراءته فإنه يجري تصحيح يسمى بالوزن المزدوج، ويتم ذلك بأن توزن المادة على الكفة اليمنى ولتكن كتلتها (m1)، ثم توزن على الكفة اليسرى ولتكن (m2)، فتكون الكتلة الحقيقية (m) هي:
إذا كان الفرق بين (m1) و(m2) صغيراً فإنه يمكن إعتبار أن الوزن الصحيح هو:


التخميد:Damping
     إذا ترك الميزان ليتحرك بحرية فإنه يتوقف بعد فترة زمنية معينة، وهذه تعتبر من المساوئ الكبرى نسبة للحاجة الكبيرة لإتمام عملية الوزن بسرعة. حتى يتوقف الميزان فإنه يتعين علينا أن نخمد حركته.
   يعرف التخميد بأنه تقليل كل من مدى وزمن التذبذب ويتم ذلك بإحدى طريقتين:

التخميد الهوائي:Air Damping  
     يتم بعمل قرص ملامس لذراع الميزان يتحرك مع أسطوانه بها فتحة في قاعها، عند تحرك الكفة الأسفل يخرج الهواء عبر الفتحة في قاع الأسطوانه. ونسبة للمقاومة التي يلاقيها القرص فإن عودة الميزان إلى وضع الإستقرار يقل كلما كانت الفتحة صغيرة كلما كان التخميد أكثر فعالية.
التخميد المغناطيسي:Magnetic Damping  
    يكون ذلك بوجود مادة مغناطيسية على شكل مثلث متصلة بالذراع وتتحرك معه بما يولد قوة تنافر في أثناء نزولها وقوة تجاذب في أثناء صعودها. وهذا يقلل زمن عودة الميزان إلى حالة الإتزان.

الأوزان:Weights  
نعني بها القطع المعدنية المستخدمة في معايرة الكتل (الصنج).
تقسم الأوزان حسب تصنيف المعمل الفيزيائي القومي (NPL) إلى ثلاثة أقسام هي:

(i) أوزان القسم الأول:
    هي أسطوانات إما تكون من البلاتين أو سبائكه وتكون عادة في المدى (1-50 g ) كحد أقصى. ومن اشكالها المالوفة أن تكون سداسيات من سبيكة نيكل – كروم للقياس بالقيم (0.005-0.05-0.5 g) وهكذا. كذلك يمكن أن تكون مثلثات من البلاتين النقي للأوزان (0.001 - 0.01 - 0.1 g).

(ii) أوزان القسم الثاني:
        هي أسطوانات، أو سداسيات أو مستطيلات أو مثلثات من الصلب وسبيكة نيكل – كروم. وهذا القسم يكون أقل دقة من القسم الأول.

(iii) أوزان القسم الثالث:
      وتعرف بأوزان الأغراض العامة مع وجود الأشكال في القسمين الأول والثاني مصنوعين من النحاس أو النحاس الأصفر أو الحديد.

إحتياطات التعامل مع الأوزان:
    يجب إتباع الإجراءات التالية عند التعامل مع الأوزان:
(i) لا تستخدم أصابعك في تحرك الأوزان إطلاقاً، بل دائماً إستخدام الملقط لتحريكها.
(ii) لا تخلط الأوزان مع بعضها بل احفظ كل منها في مكانه الصحيح في صندوق الأوزان.
(iii) تجنب خلط أقسام الأوزان المختلفة كل مع الآخر.
(iv) لا تحاول نظافة الأوزان بالحك أو بالماء ويمكنك إستخدام الكحول للنظافة. أما في حالة الغبار فقط فيجب إزالته بإستخدام فرشاة وبر الجمل.
(v) من حين لآخر افحص دقة الأوزان وذلك بمعايرتها بأوزان قياسية بإستعمال ميزان حساس جداً.

الميزان التحليلي:Analytical Balance
    هو ميزان له كفة واحدة وله المقدرة على وزن كتلة جسم لأقرب (± 0.1mg) وهو يزن بطريقة تسمى التعويض أو الإحلال.
    يحتوي الميزان التحليلي على وزنات يتراوح وزنها غالباً بين (0.01-20g) وهي معلقة في جهة من نقطة الإرتكاز، وفي المقابل هناك ثقل موازن يعلق في الجهة الأخرى من عاتق الميزان.
   عند وضع جسم في الكفة يحدث خلل في التوازن، لإستعادة هذا التوازن نسحب عدة وزنات عند العاتق من جهة حتى يصل مجموع الأوزان المسحوبة إلى مدى دقة القراءة ، ثم يترك العاتق ليصل لحالة الإتزان.
  هذه العملية تتم بسرعة نسبة لوجود ممانعة الإهتزاز التي تقلل من حركة تأرجح العاتق.
   تظهر الأوزان المسحوبة على مجموعة من الأقراص المدرجة مثبتة في مقدمة الميزان.
    يحفظ الحد السكيني والعاتق بواسطة مقبض ثلاثي المواضع، أحد مواضعه يؤدي إلى تثبيت الكفة (تعليقها)، والثاني يؤدي إلى تسييبها جزئياً، بينما مهمة الموضع الثالث تسييب الكفة كلياً. يستخدم التسييب الجزئي في تقدير وزن (كتلة) الجسم.
    من مزايا الميزان التحليلي على الميزان ذي الكفتين أن عملية الوزن تتم بسرعة كما أن حساسية الميزان ذي الكفة الواحدة ثابتة، وكذلك لا يلزم وجود أوزان منفصلة.
    حساسية الميزان التحليلي تعرف بأنها مقدار الإنحراف الناتج بتأثير وحدة وزنية واحدة، وتتأثر بالعوامل الآتية:
(i) طول ذراع الميزان، وزيادة طول ذراع الميزان تزيد من حساسيته.
(ii) كتلة الذراع والكفة، وتقل الحساسية بزيادة كتلتيهما، ولهذا تفضل الموازين المصنوعة من مواد خفيفة مثل الماغنسيوم والالمونيوم وسبائكهما.

مصادر أخطاء الميزان التحليلي:
   هناك عدة عيوب تنتج عنها أخطاء في الميزان ومن هذه العيوب:
(i) عيوب بناء الميزان:
      ينتج هذا العيب نتيجة لصناعة الميزان من مواد ردئية الصفات مما يؤدي للتأكل والتشوه في الحد السكيني.

(ii) الكهرباء الساكنة:
     قد تنتقل الكهرباء الساكنة للميزان من الشخص المستخدم أو من الأجسام الموزونة مما يؤدي إلى وجود قوة إضافية على الكفة تتسبب في الحصول على قراءات مضئلة ، خاصة في الموازين الدقيقة.

(iii) تأثير درجات الحرارة:
      تغير درجات الحرارة يؤدي إلى وجود تيارات حمل ، كما أن طول العاتق قد يتغير. لذا يجب تجنب وزن الأجسام الساخنة، كما يجب حماية الميزان من التعرض المباشر لأشعة الشمس.

(iv) أخطاء التشغيل:
      وهذه الأخطاء ناتجة من سوء إستخدام الجهاز أو خطأ القراءات نفسها.
هناك نوعان من الميزان التحليلي هما الميزان ذو الكفة الواحدة الداخلية والميزان ذوالكفة العلوية، وهذان النوعان قد حلا بصورة شبه تامة محل موازين الكفتين ذات العائق.
    ويوجد نوع رقمي منها توجد به دوائر إلكترونية معقدة يعطي مباشرة قمة الكتلة للمادة الموزونة. ومعظم هذه الموازين تزن حتى (10-4g).

إستخدام الميزان التحليلي:
1.    أضبط صفر ومستوى الميزان التحليلي.
2.    جهز وعاء نظيف وجاف وفارغ.
3.    ضع الوعاء على كفة الميزان وسجل وزنه على ورقة.
4.    لاحظ، كما في ميزان العاتق، أن أي إضافة أو سحب للمادة الموزونة يجب أن يتم والميزان مغلق.
5.    في حالة المحاليل فإن عمليتي الإضافة والسحب تتم بواسطة ماصة أو قطارة (dropper). وفي حالة المواد الصلبة تتم بواسطة معلقة خاصة (spatula).
6.    يجب  الحرص عند إضافة أو سحب المحاليل والمواد، وذلك حتى لا تسيل أو تتناثر على الكفة وسطح الميزان.


ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق