Neigungswaage

Historische Neigungswaagen

Briefwaage

Die Neigungswaage ist eine Waage, die das zu messende Gewicht im Gegensatz zur Balkenwaage nicht mit einem anderen Gewicht kompensiert, sondern durch die Auslenkung einer Masse an einem Hebel, die das Ablesen auf einer Skala ermöglicht. Da man die Neigungswaage als Variante der Balkenwaage mit geknicktem Waagebalken ansehen kann, wird sie auch als Knickhebelwaage bezeichnet.

Die Briefwaage ist die wohl häufigste Anwendung dieses Prinzips und diese Waagen werden auch aktuell noch so produziert.

Erfinder

Neigungswaagen wurden im 18. Jahrhundert von dem Pfarrer und Erfinder Philipp Matthäus Hahn entwickelt und mehrfach gebaut. Hahn hatte bereits im heutigen Albstadter Stadtteil Onstmettingen 1764 bis 1770 kunstvolle Entwicklungen gebaut und mit eigenen Erfindungen verfeinert (Uhren, Waagen, Rechenmaschinen, Astronomie). Der Aufbau der Neigungswaagen wurde schnell von den Herstellern von Waagen übernommen.

Aufgrund von Hahns Anregungen entstand im heutigen Zollernalbkreis zu Beginn der Industrialisierung Mitte/Ende 19. Jahrhundert ein Wirtschaftszentrum aus Betrieben der Feinwerk- und Präzisionstechnik, das diesen Raum heute noch prägt. Zu Ehren Hahns wurde in Onstmettingen das Philipp-Matthäus-Hahn-Museum aufgebaut, in dem seine Neigungswaage und viele seiner weiteren Erfindungen zu finden sind.

Prinzip

Konstruktion

Feinwaage aus Müll, 0,1 – 0,8 g; als Test 0,3 ml Wasser in der Waagschale

Bei der Neigungswaage wird durch die Last ein der Größe nach unveränderliches Gewicht, welches in der Regel an einem Hebel befestigt ist, aus seiner Ruhelage verändert und damit ausgeschlagen. Die Größe dieses Ausschlagwinkels, also die Neigung dieses Gewichtes, dient als Maß für die Größe der Last, die dann auf einer Skala abgelesen werden kann.

Der Unterschied zur Balkenwaage besteht vor allem in dem Knick des Waagebalkens im Drehpunkt. Das hat zur Folge, dass nicht mehr wie bei der reinen Balkenwaage ein labiles Gleichgewicht herrscht, sondern ein stabiles Gleichgewicht. Dazu muss der Waagebalken beidseits des Drehpunkts nach unten geknickt sein, so dass ein Übergewicht auf der einen Seite das Gewicht näher an den Aufständer dreht und damit ihr Drehmoment verringert, während die andere Seite mehr nach oben gedreht wird, so dass deren Drehmoment ansteigt. Prinzipiell kann dann immer eine stabile Gleichgewichtslage erreicht werden. Die Empfindlichkeit der Waage wird dadurch im Vergleich zur reinen Balkenwaage etwas verringert, für die üblichen Einsatzzwecke ist sie jedoch ausreichend.

Mathematik der Waage

Um nun herauszubekommen, welchem Winkel welches Massenverhältnis entspricht, wird einfach ein Gleichgewicht der angreifenden Drehmomente aufgestellt:

${\begin{matrix}m_{1}g\;\;l\;\cos(\omega +\beta )&=&m_{2}g\;\;l\;\cos(\omega -\beta )\\m_{1}\cos \omega \cos \beta -m_{1}\sin \omega \sin \beta &=&m_{2}\cos \omega \cos \beta +m_{2}\sin \omega \sin \beta \\m_{1}-m_{1}\tan \omega \tan \beta &=&m_{2}+m_{2}\tan \omega \tan \beta \\{\frac {m_{1}}{m_{2}}}&=&{\frac {1+\tan \omega \tan \beta }{1-\tan \omega \tan \beta }}\end{matrix}}$

• Der Winkel $2\beta$ ist der Winkel, um den der ehemals gerade Balken in der Mitte geknickt wurde, um den Schwerpunkt zu versetzen. Dieser Winkel ist abhängig von der Konstruktion der Waage.
• Der Winkel $\omega$ ist der Winkel, um den der Balken auf Grund der unterschiedlichen Massen verdreht ist, also die Abweichung von der waagerechten Lage.

Einsatzbereiche und Modellvarianten

Bizerba-Neigungswaage mit zusätzlichem Schaltgewicht, bis 2 kg, Deutsche Bundespost

Die bekanntesten Neigungswaagen waren mechanische Briefwaagen, wo man teilweise sogar durch Umklappen das Gewicht verändern und damit auch höhere Massen wiegen konnte, die dann auf einer veränderten Skala abgelesen werden konnten. Es gibt die Waagen sowohl mit einem Standfuß als auch mit einem Haken oder Griff am oberen Ende zum Aufhängen oder zum Halten in der Hand.

Weiterhin gibt es auch hochwertige Tischwaagen mit großem Kreiszeiger-Messkopf für die Verwendung in Industrie, Handel und Labor oder Küche, die mit dem Neigungswaagen-Prinzip arbeiten. Hierbei handelt es sich in der Regel um solide Geräte in schweren Metallgehäusen mit großer Anzeige hinter Glas und mehrfachem, meist fünffachem Zeiger-Umlauf. Die üblichen Wägebereiche und Skalenteilungen sind z. B. 30 kg/10 g, 60 kg/20 g und 100 kg/50 g, wobei meistens noch eine geschätzte Ablesung zwischen den Skalenteilen möglich und hinreichend genau ist. Diese Waagen fanden weite Verbreitung in Großküchen, Werkstätten und Laboren und wurden bzw. werden wegen ihrer unkomplizierten Handhabung geschätzt (kein Einschalten notwendig). Heute (2010) werden sie nur noch von sehr wenigen Herstellern gebaut.

Es wurden sogar Lkw- bzw. Fahrzeugwaagen nach diesem Prinzip hergestellt (Wägebereich bis 50 oder 60 Tonnen, Skalenteilung 20 kg).

Neigungswaagen wurden nach Entwicklung der elektronischen Waagen in ihrer Bedeutung gemindert. Vor allem nach Anwendung der Dehnungsmessstreifen in der Waagentechnik ging die Produktion stark zurück.

Weblinks

• Bastelanleitung für eine Briefwaage (LEIFI)