主题:【讨论】聊聊天平史

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儒雅凤
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    天平是最古老的称量物体质量的计量器具,已有4000多年的历史,它经历了一个从简单到复杂、从单一到多样、从低准确度到高准确度的发展演变过程。
  由于它称量精确,所以在古代主要用于称量金银钱币和其它贵重物品。14、15世纪,欧洲资本主义采矿业萌发,分析矿石中金属含量的试金精密天平出现。15~18世纪,近代科学兴起。科学家研究力学、化学、生物学需要更加准确、灵敏的称量质量的天平,研制出许多分析天平、实验室天平。20世纪中,标准偏差达到几微克的千克原器天平,已应用于质量量值传递。经过不断改进提高,国家级千克原器天平的相对标准偏差可达到1×10-9量级水平。
  根据天平的结构原理,可以把天平主要分为四类:即扭力天平(弹性式天平),液体静力天平(浮力天平),杠杆天平,电子天平。扭力天平和液静式天平只用于个别领域,且数量极少;而杠杆天平、电子天平则遍布于需要精确称量物体质量的社会各个领域。从等臂杠杆双盘天平,到替代式杠杆单盘天平,再到电子天平,是天平发展演变的主线。

古代埃及天平
  迄今发现的最古老的天平杠,出自上埃及第三王朝,它是带有红颜色的石灰石横梁,长约8.5厘米,中间和两端都有钻孔。上埃及第三王朝时期,约公元前2500年,这一天平杠杆距今已有4500年了,如今保存在伦敦科学博物馆。这种天平还明显保留着原始天平的主要缺陷:横梁经钻孔穿线作为支点和力点,不仅其等臂性难以保证,而且在其平衡时摩擦阻力大;天平横梁的截面积,从中间到两端相同,横梁相对较重;横梁中间支点高于两端力点过多,使横梁重心相对支点过低。由于这些原因,使天平灵敏度降低,称量准确度也低。这种天平大约能够把被称物称准到1%,甚至更差些。古埃及初期的砝码都是形状粗笨的石质器,后来制成圆筒形或狮子、牛、山羊、鸭子等仿动物形。图特摩斯王朝又称新王朝时期(公元前1570年——前1085年),这一时期古埃及在军事、政治、经济和文化等方面都属于最强盛时期。在出土的图特摩斯三世(公元前1200年——前1085年)的壁画和草纸卷上,有冶炼工场和航海船埠用天平称量金属的画图。自公元前1570年以后的新王朝时代的埃及天平(图2)获得了明显地进步。埃及天平靠水平穿过横梁中点的金属环挂在三角架上,横梁的两端成喇叭形,秤盘由从横梁穿出的绳子悬挂起来,负荷秤盘和砝码秤盘的作用点被固定下来,因此改善了天平的等臂性。横梁截面向两头显著变细,横梁的重量变轻了,天平的灵敏度提高了。特别值得一提的是,由指针和吊线铅锤组成的指示元件,它使得有可能准确地和可重复地校准天平横梁的平衡状态。这种埃及天平已能使称量的分辨力基本上优于被测质量的千分之一。
  在埃及的古迹和苇草纸上保存有大量的等臂杠杆天平形象,说明当时天平的使用已较广泛,同时还说明古代天平已成为公平或公正的象征。位于小亚细亚东部和叙利亚北部的古代部族赫梯人使用的天平,秤盘也是由从横梁水平穿出的绳子悬挂起来,在这点上和埃及的天平有相似之处。以现在分析,这块平面浮雕要表达的主题是“天平与人”,即人心应像天平那样的公平。
  古希腊人是自己发明的天平还是从别的民族学来的,至今尚不清楚,但不管怎么说,古希腊人早期的天平很像埃及天平。但我们知道的是,古希腊人最早开创了衡器理论,阿里斯多德(Aristoteles)、欧几里德(Euklid)和阿基米德(Archimedes)研究了等臂杠杆的平衡问题、天平的稳定性问题、天平灵敏度与杠杆臂长的关系等问题。

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儒雅凤
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中国古代天平



  中国也是世界上使用天平、砝码最早的国家之一。在春秋晚期,用于天平的砝码,有齐国的右伯君铜权、 国铜权。上个世纪50年代,考古工作者,在湖南境内整理发掘两千座楚墓,其中101座春秋末至战国中期的墓中,99座有铜砝码,各墓所出砝码多少不等,最多的10个,最少的1个,共出389个。15座墓有天平,其中2座中的天平是完整的,1座只有天平杆,另外12座只有天平铜盘。完整的天平、砝码,其衡杆为木或竹质扁条形,长(23~27)厘米,杆正中钻一孔,孔内穿丝线作提纽。杆两端内侧0.7厘米处,各有一穿孔,内穿四根丝线,用以系盘。铜盘两个,底略圜,盘的直径(3.8~4.4)厘米,盘重7克,大的重(9~12)克。铜砝码(又称铜环权)为环形,断面大多作圆形,少数作菱形。完整的一套十枚铜环权,最小的一枚相当重1铢,依次为2、3、6、12铢,1、2、4两,半斤、1斤。选择两套完整的铜砝码称重计算,1斤合250.05克,1两15.628克,1铢0.651克。但大多数是铢、两级的小量值砝码。说明这种天平——木衡铜环权主要是用来称量黄金等贵重物品的。当时楚国通行的黄金货币,多铸成长方版状,每版重约1斤,上面压印有十几个带“郢爯”、“陈爯”二字的小方戳。“郢、陈”是地名,“爯”是称量货币。零碎使用时分割成小块,就用这种小型天平称重支付。从现在收集到的当时黄金饰品的计重刻铭上,可以看出当时称量的情况。这种竹、木衡杆天平的称量精细度可以达到1铢的1/4~1/3,相当于今天的0.2克。其称量相对误差在1.3%以内。在当时的生产条件下,1%~1.5%的相对误差已足够应用。从发现的当时铸造环权的铜母范得知,成套铜环权是标准化生产的,易于保证同级砝码量值的一致性。由于社会的需要,技术可行,使这种木衡、铜环权的小型天平在黄金货币流通中得到普遍使用。

  在中国国家博物馆,藏有从安徽寿县出土的两支战国楚铜衡杆。衡杆扁平,长23.1厘米、高1.3厘米、厚0.35厘米,正中有鼻纽,正面有十等分的刻线。经研究认为,楚铜衡杆天平应该是楚木(竹)小型天平的发展与提高。铜衡杆可用作吊悬式等臂天平,也可在刻线的不同部位悬挂砝码作游砣秤(不等臂天平)使用。衡杆采用铜质,可以悬挂1斤(250克)到2.5斤(625克)的砝码,再加力距的臂比关系,其最大秤量可以达到10斤(2500克)是有可能的。再从已发现的战国、秦、西汉时期的石权、半石权、一百一十斤权、三钧石权(120斤)看,战国、秦、西汉时一种从几十斤到一百多斤的大秤量铜衡杆天平肯定会有的,这可从西汉末年新莽铜衡杆、铜环权上得到证实。

  1925年,我国甘肃定西秤钩驿发现新莽权衡器7件。权衡器有:铜衡杆一支,长64.74厘米、宽1.6厘米、高3.3厘米,重2442克,衡杆正中顶部有鼻纽,两端底部有悬纽(左端悬纽残),供系绳用。衡杆正面中部刻新莽铭文20行81字;衡钩1个;律权石、律二钧、律九斤、律六斤、律三斤铜环权5个。可看作完整的一套大秤量天平。铜衡杆、石权、九斤权现藏中国国家博物馆;衡钩、二钧、六斤、三斤铜环权现藏台北故宫博物院。

  以上三种类型的古代中国权衡器实物,使我们看到我国自春秋末期至汉代五六百年间,杠杆天平的发展,技术成熟,使用普遍,并逐渐掌握了力距知识,由不等臂天平向杆秤过渡。然而,这三种等臂天平仍保留着上面所述的原始天平的缺陷,称量的相对误差约为1%。
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2011/9/22 10:13:52 Last edit by peppermintgrass
薄荷草
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dahua1981
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