La invención de la balanza de brazos iguales se remonta a la época de los antiguos Egipcios, posiblemente alrededor del 5000 a. C.
Los primeros tipos de balanza tenían una barra en su parte central y los platos colgaban de los extremos mediante unas cuerdas. Más o menos en la época de Cristo, los romanos introdujeron una mejora que consistía en el uso de una clavija a través del centro de la barra a modo de soporte central.
La invención de los pivotes de cuchilla en el siglo XVIII facilitó el desarrollo de la balanza mecánica moderna. Para finales del siglo XIX, la balanza se había introducido en Europa hasta convertirse en uno de los dispositivos de medición más precisos del mundo. En el siglo XX se desarrollaron las balanzas electrónicas, basadas en la compensación eléctrica en lugar de en la desviación mecánica.
La Balanza Mecánica
La balanza mecánica consiste, esencialmente, en una viga o barra rígida que oscila horizontalmente sobre una cuchilla que actúa como fulcro o pivote, y que tiene otros dos pivotes paralelos y equidistantes del centro. Las cargas que van a ser pesadas se sostienen sobre platos que cuelgan de soportes.
Para lograr un mejor diseño, se sitúan dos o más pivotes entre el soporte de un extremo y el plato, uno para evitar la inclinación del plano y otro para ajustar el centro de la carga a un punto concreto del pivote. Un mecanismo de freno evita que se produzca un daño durante la carga al separar los pivotes de sus soportes. La desviación de la balanza puede indicarse con un puntero sujeto a la barra que se desplaza sobre una escala graduada, o mediante reflexión a una escala separada usando un espejo situado en la barra.
El método más evidente de usar una balanza se conoce como pesada directa. El material que se va a pesar se coloca en un plato, poniendo suficientes pesos conocidos en el otro plato como para que la barra esté en equilibrio. La diferencia entre la lectura sin ningún peso y la lectura con los platos cargados indica la diferencia entre las cargas según las divisiones de la escala. La pesada directa requiere que los brazos tengan la misma longitud.
Cuando el error resultante de la desigualdad de los brazos es mayor que la precisión necesaria, puede usarse el método de sustitución. Con este método, se añaden contrapesos a un plato para equilibrar la carga desconocida del otro. Luego, los pesos conocidos se reemplazan por la carga desconocida. Luego, los pesos conocidos se sustituyen por la carga desconocida. Este método sólo necesita que los dos brazos de la barra mantengan las mismas longitudes durante la pesada. Cualquier efecto derivado de la desigualdad será el mismo para ambas cargas, y por lo tanto se elimina.
Las pequeñas microbalanzas de cuarzo con capacidades de menos de un gramo se construyen con una fiabilidad mucho mayor que la que normalmente se logra con las balanzas de tipo ensayo que tienen una barra de metal y tres pivotes. Las microbalanzas se usan sobre todo para determinar las densidades de los gases, especialmente de gases que sólo se pueden obtener en pequeñas cantidades. Normalmente, la balanza funciona dentro de una cámara hermética para el gas, y el cambio en el peso se mide de acuerdo al cambio en la fuerza de flotación neta producida sobre la balanza debido al gas en el que la balanza está suspendida. La presión del gas es ajustable y se mide con un manómetro de mercurio conectado con la carcasa de la balanza.
Una ultramicrobalanza es cualquier dispositivo para pesar que permita determinar el peso de muestras más pequeñas que las que se pueden pesar con la microbalanza (es decir, cantidades totales que llegan a ser de uno o unos pocos microgramos). Los principios usados para construir ultramicrobalanzas con éxito incluyen la elasticidad de los elementos estructurales, el desplazamiento de los fluidos, el equilibrio mediante campos eléctricos y magnéticos, y combinaciones de ellos.
La medida de los efectos producidos por las ínfimas masas que se pesan se realiza mediante métodos ópticos, eléctricos y basados en la radiación nuclear para determinar desplazamientos, así como medidas ópticas y eléctricas de las fuerzas usadas para recuperar un desplazamiento provocado por la muestra que está siendo pesada.
El éxito de las balanzas tradicionales en los tiempos modernos ha dependido de las propiedades elásticas de determinados materiales, sobre todo las fibras de cuarzo, que tienen una gran resistencia y elasticidad, y son relativamente independientes de los efectos de la temperatura, la histéresis y la flexión inelástica.
Las ultramicrobalanzas más exitosas y prácticas se basan en el principio de equilibrar la carga aplicando un par de fuerzas a una fibra de cuarzo. Un diseño sencillo utiliza una fibra rígida como barra horizontal, soportada en su zona central por una fibra de torsión horizontal de cuarzo estirada y unida a ella en ángulos rectos. A cada extremo de la barra se cuelga un plato, uno contrabalanceando al otro. La desviación de la barra provocada al añadir la muestra a uno de los platos se recupera rotando el extremo de la fibra de torsión hasta que esté de nuevo en su posición horizontal, de modo que la amplitud de la torsión en la fibra suspendida se puede usar para medir la carga que se añade a uno de los platos.
La cantidad de torsión necesaria para la recuperación se lee mediante una manecilla conectada al extremo de la fibra de torsión. El peso se obtiene calibrando la balanza mediante pesos conocidos y leyendo el valor en el gráfico de calibración que representa el peso en relación a la torsión. Al contrario que las balanzas de desplazamiento directo que dependen de la elasticidad de los componentes estructurales, la balanza de torsión permite que la gravedad equilibre el componente más grande de la carga (es decir, los platos), lo que resulta en una capacidad de carga mucho mayor.
Las balanzas usadas a finales del siglo XX solían ser electrónicas y tenían mucha mayor precisión que las mecánicas. Un escáner medía el desplazamiento del plato que contenía el objeto a ser pesado y, mediante un amplificador y posiblemente un ordenador, se generaba una corriente que devolvía el plato a su posición inicial. Las medidas se leían en una pantalla digital o se imprimían. Los sistemas electrónicos de pesaje no sólo miden la masa total, sino que también pueden determinar características como el peso medio y el contenido de humedad.
