天秤ばかり

天秤ばかり（てんびんばかり、英語：balance scale）は、物体の質量を測定するために古くから用いられている計器です。その基本的な原理は「てこ」にあり、量りたい物体と基準となる錘（分銅）を両側に乗せ、釣り合った状態から物体の質量を求めます。単に「天秤」と呼ばれることも多く、広義には古典的な構造を持つものから、現代の電子技術を駆使した「電子天秤」まで含みます。

基本的な仕組み

最も単純な天秤ばかりは、一本の水平な竿の中央に支点（支え）を持ち、その両端から等しい距離に測定対象物と分銅を吊り下げる構造をしています。両者が完全に釣り合ったとき、物体の質量は吊り下げた分銅の合計質量と等しくなります。基準として使用される錘が分銅です。

測定対象について

天秤ばかりが測定するのは、しばしば誤解されがちな「重さ」ではなく「質量」です。重さ（単位ニュートン N）は重力の影響を受ける力ですが、質量（単位キログラム kg）は物質そのものの量であり、場所による重力加速度の変動に影響されません。天秤は両側のモーメント（回転させる力）が釣り合う状態を利用するため、場所の重力場の強さは測定結果に影響しないのです。精密な電子天秤でさえ、正確な計測には設置場所ごとの重力加速度に基づいた校正が必要です。

構造の進化と多様性

原始的な天秤は、物体や分銅を竿に直接紐で結んだり、紐の先の皿に載せたりして使われました。しかし、皿より大きな物体を測る際に紐が邪魔になるという欠点がありました。これを解消するために開発されたのが「上皿天秤」です。これはシーソーのような構造の上面に直接、物体と分銅を置くことができるため、作業性が向上しました。また、竿の中央に支点を持たない形式（不等比）の天秤もあり、これは一つの分銅を動かすことで比較的狭い範囲の質量を測定したり、竿の傾きで質量が簡単に分かるように工夫されています。

分類

天秤は大きく「重力方式」と「電子方式（電子天秤）」に分けられます。重力方式には、構造によって等比方式、定感量方式、上皿方式などがあります。代表的な近代の天秤としては、18世紀にラムスデンが開発した等比天秤や、ボックホルフの原理をメトラーが製品化した不等比天秤などがあります。一方、電子方式は現代の電子技術を駆使した計器で、零位方式、力測定方式、偏差方式といった種類があります。

精密測定と取り扱い

精密な天秤を使用する際、基準となる分銅は非常に重要です。汚れや錆びによる質量変化を防ぐため、分銅は素手で触ってはいけません。専用のピンセットを使用することが鉄則です。酸化しにくいよう金メッキが施された高精度な分銅もあります。また、大きな質量を持つ物体を測る場合、それと同等の分銅を用意するのは大変です。このような時は、てこの原理を応用し、分銅を載せる側と物体を載せる側の支点からの距離を変えることで対応します。分銅側の距離を長くすることで、より小さな分銅で釣り合わせることが可能になります。この形式の天秤では、使用する分銅にその比率（例えば1/10）が記されていることがあります。

精度を高めるための技術（感量）

天秤の精度（感量）を極限まで高めるためには、各支点の摩擦を最小限に抑えることが不可欠です。安価な製品では楔（くさび）状の支点が用いられますが、精密天秤では鋭利な刃物状の「ナイフエッジ」が採用されます。このナイフエッジは硬く精密に研磨された台の上に載せられます。ナイフエッジが鋭いほど感量は小さく（精度は高く）なりますが、同時に耐えられる荷重（ひょう量）は小さくなります。精密天秤では、鋭いナイフエッジの変形や摩耗を防ぐため、秤量時にガラスケースの外側のつまみを操作することで初めて支点が接触する構造になっています。また、物体や分銅を秤量皿に置く際には、必ず支点の負荷を解除してから行う必要があります。

安定性と感量の関係

天秤の竿が安定して平衡状態を保つためには、竿の中央支点が秤量皿を吊り下げる点よりもわずかに高い位置にある必要があります。もし両点が同じ高さにあると、竿は平衡状態であっても水平に静止しない可能性があります。逆に、竿の支点が吊り下げ点より低い位置にある場合、竿は平衡点を持ちません。竿の安定性は、支点と吊り下げ点の高さの差に影響されます。一般的に、安定性を高めようとすると感量（精度）が低下するという相反する関係にあります。この極限を追求するため、精密天秤では竿の中央支点の上部に垂直に移動可能な重りを設けることがあります。この重りを高く配置すると安定性は減少しますが、感量は向上します。また、竿の中央から垂直下方に伸びる「指針」を取り付けることもあります。指針によって竿の平衡状態を正確に読み取ることができ、左右の不均等な揺れから非平衡状態を素早く判断できます。均等な揺れは動摩擦が作用していることを示し、静摩擦の影響を受けずに迅速かつ正確な平衡読み取りを可能にします。指針自体の質量は感量を増やす要因となりますが、三支点の高さを同一にし、指針の質量を利用して竿の安定を図る設計もあります。分銅は天秤本体と分離せず保管するのが望ましいですが、精密天秤にはガラスケースの外から操作できる、竿の上を移動させて微調整する分銅が備わっているタイプもあります。

その他の構造と測定法

人間の体重など、比較的精度要求が低い測定においては、大きな主分銅で大まかに釣り合わせ、竿上の摺動可能な分銅を動かして微調整し、主分銅の値と摺動分銅の位置を示す目盛りの合計で質量を読み取る形式の天秤が広く使われていました。これは電子式秤が普及する以前、商店などでよく見られたタイプです。竿に刻まれた目盛りと分銅の位置で質量を測定するものです。竿の製造過程で生じる微妙な誤差を補正し、確度や感量を高めるためには、特に精密な天秤では、一度測定した後、竿を180度回転させて左右を入れ替えて再度測定し、その平均値や統計処理によって正しい値を得る方法が用いられました。さらに、大型でかさばる荷物の測定には、片持ち梁に荷台を設け、その梁が動くことで別の竿に小さな力を伝達するタイプの天秤もあります。これらは軸が増えることで精度は低下しますが、電気が使えないような過酷な環境でも利用可能な携帯型が存在します。また、工場や商店では、複数のお皿を持つ計量天秤が活用されていました。例えば、一方の皿に測りたい物体（ネジ1本など）を載せ、もう一方の皿に同じ物体を複数個（ネジ10本など）載せて釣り合わせることで、個数を簡単に測ることができます。多くの場合、x1、x10、x50、x100といった比率の皿が用意されていました。

天秤の性能表示

天秤の能力は主に「感量」「目量」「ひょう量」という指標で示されます。感量は天秤が反応できる最小の質量変化、目量は最小目盛りの差（例：1グラム刻み）、ひょう量は測定可能な最大の質量をそれぞれ表します。

試験と校正、そして誤差

多くの国では、商用の秤の設計や使用には厳しい規制があります。これにより、新しい技術の導入が遅れがちですが、近年はデジタル質量計への移行が進んでいます。デジタル質量計は、ひずみ計が重力による力を検出し、電子的に質量に換算して表示します。しかし、地球上の重力は場所によってわずかに異なるため、正確な質量を測るには、設置場所ごとにその地点の重力加速度に基づいて校正を行う必要があります。この点、伝統的な天秤ばかりは、場所による重力変動の影響を受けないという特性を持っています。

天秤ばかりを使用する上で誤差の原因となりうる要素は様々です。例えば、天秤の設置不良（水平が出ていない）、試料の浮力（空気中での測定）、気流（ガラスケースの使用などで軽減）、竿の支点の摩擦、磁性体への磁気の影響、水蒸気の吸着、試料の温度による空気の移動、さらには地球の自転によるコリオリ力などが挙げられます。感量を高める（精度を上げる）ためには、支点のナイフエッジの鋭さや直線性、そして支点の摩擦を可能な限り小さくすることが重要です。一方、ひょう量（最大測定質量）を大きくするには、支点のナイフエッジをより強靭な材料で作ったり、感量を犠牲にして刃先の角度を鈍角にするなどの設計が用いられます。

もう一度検索