من البسيط إلى المعقد: قصة اختراع الميزان وتطوره

كان تاريخ موازين الوزن محوريًا لفهم بيئتنا واستغلالها ونطاق الاستخدامات من الخباز الذي يصنع رغيف الخبز المثالي، إلى صائغ المجوهرات الذي يقيس الماس، إلى عالم الفيزياء الفلكية الذي يحسب كمية الوقود وغيرها الكثير.

مقدمة تاريخية عن الميزان

من المحتمل أن يكون أول شكل من أشكال القياس يدور حول الوزن، بالنسبة للحضارات المبكرة أحدثت وسائل الوزن الدقيق لكل شيء من المحاصيل إلى القماش لقياسها بدقة، أتقنت المجتمعات التجارية المبكرة أول موازين الوزن للحصول على أفضل مقايضة لبضائعها، وتمّ الكشف عن أمثلة من المقاييس التي يعود تاريخها إلى حوالي 2000 قبل الميلاد في باكستان ومصر ولا تزال معروفة حتى اليوم، كانت عبارة عن نظام بسيط يعتمد على موازنة البضائع، خاصةً المعادن بأوزان الحجر المعروفة.

كانت أقدم المقاييس عبارةً عن موازين بدائية تتكون من رافعة ذات كفيين معلقة على مسافات متساوية من نقطة الارتكاز، عندما يحتاج عنصر ما مثل كيس من العملات الذهبية إلى وزنه، فسيتم وضعه في أحد الكفتين، ثم يتم إضافة الأوزان المعروفة إلى الكف المقابل وإخراجها منها حتى يتم موازنة الرافعة تمامًا في وضع أفقي.

ميزان الوزن الحديث كما نعرفه اليوم هو جهاز عالي التقنية للغاية، يوفر قياسات دقيقة تصل إلى أقرب 0.0001 جم، مع شاشات تعمل باللمس واتصال بالإنترنت؛ مما ينتج عنه القياسات الأكثر كفاءة ودقة وموثوقية، ومع ذلك، لم يكن هذا هو الحال دائمًا، لقد كان فن القياس مهارة ميزت الجنس البشري بعيدًا عن الأنواع الأخرى منذ العصور الوسطى وكان ضروريًا لفهم كيفية عمل العالم من حولنا وعمل المجتمع.

ما هي قصة اختراع الميزان؟

نشأة الميزان في الحضارات المختلفة

تمّ العثور على آثار بقايا موازين الوزن بالقرب من نهر السند، بالقرب من باكستان، مع تطور التجارة في العصور القديمة، قام التجار بتطوير حاجة لتوزين وتقييم قيم السلع مثل المحاصيل والألبسة والذهب، من أجل المقايضة على سلعهم، استخدمت الأجهزة المبكرة نظامًا بسيطًا وفعالًا يعتمد على موازنة البضائع، كانت تتألف من لوحين متصلتين بحزمة علوية مثبتة على عمود مركزي، تم أخذ القياسات عن طريق وضع الجسم المقاس على لوحة واحدة وحجر الوزن على الأخرى، حتى يتم الوصول إلى التوازن.

اكتشف علماء الآثار هذه المكعبات الحجرية الموحدة المصقولة في المستوطنات المبكرة، علاوةً على ذلك في بعض الحضارات مثل حضارات المصريين، حيث يمكن تتبع المقاييس إلى حوالي 1878 قبل الميلاد، كان للموازين أهمية رمزية وروحية قوية، بينت اللوحات الجدارية التي تمّ اكتشافها الميزان الذي استخدمه المصريين لقياس الأوزان، في الصين كان أقدم ميزان تم حفره مصنوعًا من الخشب والكتل برونزية، تم العثور عليها في مقبرة يعود تاريخها إلى القرن الثالث إلى القرن الرابع قبل الميلاد في جبل (Zuojiagong) بالقرب من (Changsha)، هونان.

عندما غزا الرومان بريطانيا، تمّ استبدال الأوزان الحجرية بأوزان معدنية أكثر دقة وفُرض نظام قياس للتخلص من ممارسات الوزن غير النزيهة من قبل التجار، كانت الممارسات الشائعة في ذلك الوقت وأنظمة القياس رائدة في سوق السلع اليوم ووضعت عجلات التجارة والصناعة في الحركة، وفي متحف نابولي يوجد أنواع لموازين معدنية المستخدمة في العصر الروماني، كما يوجد آثار النحت الروماني التي تظهر المهارة في تصميمه، كان أشهر مثال على ميزان وزن مزور عندما استولى سيلت تشيفتن برينوس على روما في حوالي 390 قبل الميلاد وطالب بفدية قدرها 1000 رطل من الذهب، والتي اتُهم باستخدامها الثابتة.

غالبًا ما كان يقوم بعض الأشخاص بالتلاعب بالأوزان فتصبح غير دقيقة للعمل لصالحهم، ممّا أدّى إلى الحاجة إلى نظام أكثر دقة لكشف حيلهم، وكان توحيد الأوزان شاغلًا للحكومات طوال هذه الفترة، بعد فترة من الزمان، ظهرت أنواع المقاييس التي تتميز كل منها بمزايا وتحسينات على بعضها البعض عبر التاريخ المسجل، مع قيام مخترعين مثل ليوناردو دافنشي بمد يد المساعدة الشخصية في تطورهم.

ربما تمّ تحديد الحاجة الأكبر للقياس الدقيق للوزن خلال الثورة الصناعية، حيث تم اتخاذ خطوات كبيرة ليس فقط في التصنيع والإنتاج ولكن أيضًا في العلوم وكان في مجال العلوم هو أكبر وأحدث التطورات، شهد تطوير الإلكترونيات الدقيقة والأكثر دقة تحولًا من حساب الوزن المعمم إلى القدرة على قياس الوزن وصولاً إلى المستوى الجزيئي، ممّا مهد الطريق لبعض أعظم اكتشافات القرن العشرين وحتى استكشاف الفضاء.

التطور في تصميم الميزان وأنواع الموازين المختلفة

تم تحديد الحاجة الأكبر للقياس الدقيق للوزن خلال الثورة الصناعية حيث تم اتخاذ خطوات كبيرة ليس فقط في التصنيع والإنتاج ولكن أيضًا في العلوم وكان في مجال العلوم هو أكبر وأحدث التطورات، شهد تطوير الإلكترونيات الدقيقة والأكثر دقة تحولًا من حساب الوزن المعمم إلى القدرة على قياس الوزن وصولاً إلى المستوى الجزيئي، ممّا مهد الطريق لبعض أعظم اكتشافات القرن العشرين وحتى استكشاف الفضاء.

لم تظهر طريقة قياس الوزن الأكثر دقة حتى أواخر القرن السابع عشر، عندما بدأت الثورة الصناعية في إحداث تحسينات تكنولوجية كبرى، بعد اختراع مقياس الزنبرك من قبل صانع الميزان البريطاني ريتشارد سالتر، في حوالي عام 1770م، لم يعد الميزان يعتمد على الأوزان المضادة، استخدم مقياس الزنبرك تأثيرات الجاذبية لحساب الوزن، كما هو محدد في قانون هوك الذي يحدد إزاحة القوة على الزنبرك.

وهو يعمل عن طريق قياس الضغط الذي يمارس على الزنبرك لاستنتاج وزن الجسم، أدّت المعقولية العلمية لمقاييس الزنبرك إلى أن تصبح الشكل الأكثر استخدامًا للمقاييس التجارية والمحلية ولا تزال شائعة اليوم بسبب تكلفتها المنخفضة، كانت موازين الربيع أقل انفتاحًا على سوء الاستخدام من موازين التوازن التقليدية ذلك أدّى إلى شيوع استخدام  المقاييس الزنبركية.

في القرن الماضي شهد التطور الأخير لميزان الوزن الرقمي الحديث تحولًا من حساب الوزن المعمم إلى القدرة على قياس الوزن بدقة وصولاً إلى المستوى الجزيئي، منذ نشأتها، استحوذت المقاييس الرقمية على أجهزة القياس الأكثر دقة وهي الأكثر استخدامًا في الصناعة إلى حد بعيد، تشمل هذه الموازين الإلكترونية موازين الطاولة والمنصة والأرضية والأسطوانة، لا تتأثر دقة الميزان الرقمي بالتغيرات في مجال الجاذبية المحلي، كما يستخدمون المقاومة الكهربائية لاكتشاف اختلافات الموصلية وفقًا للضغط الذي تم وضعه على الميزان.

بدء ظهور أنواع جديدة من الموازين

في الآونة الأخيرة، تمّ إنشاء ميزان الشعاع الثلاثي، يستخدم هذا الجهاز نظام رافعة يتم فيه موازنة القوة على جانب واحد من نقطة الارتكاز مع القوة على الجانب الآخر من نقطة الارتكاز، على عكس التوازن البسيط الأصلي، فإن ميزان الشعاع الثلاثي يستفيد من المفهوم القائل بأنّ الكتلة البعيدة عن نقطة ارتكاز الرافعة تخلق قوة أكبر على الرافعة من الكتلة الأقرب إلى الرافعة، لذلك بدلاً من طلب أوزان مكافئة على جانبي الرافعة لتحقيق التوازن، يتم استخدام تميزان الشعاع الثلاثي عن طريق تحريك أوزان أصغر أقرب وأبعد من نقطة الارتكاز لموازنة وزن الجسم على الجانب الآخر من الرافعة.

في عام 1669م قدّم الفرنسي جيل بيرسون دي روبرفال نوعًا جديدًا من مقياس التوازن إلى الأكاديمية الفرنسية للعلوم، يتكون هذا المقياس من زوج من الأعمدة الرأسية مفصولة بزوج من الأذرع متساوية الطول ويتمحور في مركز كل ذراع من عمودي مركزي، مما يؤدي إلى إنشاء متوازي أضلاع، من جانب كل عمود عمودي يتم تمديد الوتد، كان المقياس ثوريًا فقد تطور إلى الشكل الأكثر شيوعًا الذي يتألف من كفتين موضوعتين على عمود رأسي يقع فوق نقطة الارتكاز ومتوازي الأضلاع أسفلهما.

ميزة تصميم (Roberval) هي أنّه بغض النظر عن مكان وضع أوزان متساوية في الكفتين، فإنّ الميزان سيظل متوازنًا، تضمنت التطورات الإضافية “موازنة تروس” يتم فيها استبدال متوازي الأضلاع بأي عدد فردي من التروس المتشابكة أكبر من واحد، مع تروس متناوبة من نفس الحجم مع ترس مركزي مثبت على حامل وتروس خارجية مثبتة على الكفتين، بالإضافة إلى “ميزان تروس العجلة المسننة” الذي يتكون من سلسلة تدور حول عدد فردي من العجلة المسننة مع تثبيت العجلة المركزية والأخرى الخارجية للدوران.

لا يزال إنشاء أول مقياس رقمي غير واضح، ولكن في عام 1980م كان ريتشارد لوشبوغ وإدوارد بريور أول من طلب براءة اختراع لمقياسهما الرقمي، الميزان التحليلي هو فئة من التوازن مصممة لقياس الكتلة الصغيرة في نطاق المليجرام الفرعي، والتي تعمل عن طريق قياس القوة اللازمة لمواجهة الكتلة التي يتم قياسها، تمّ تصنيع أول ميزان تحليلي يشبه إلى حد كبير تلك الموجودة في المختبرات اليوم لأول مرة في عام 1945م، ومع ذلك فإنّ التطورات الأكثر تقدمًا في موازين الوزن أصبحت تتعلق بدمج شاشات اللمس المتقدمة وإنترنت الأشياء (IoT).