Balance, instrument pour comparer les poids de deux corps, généralement à des fins scientifiques, pour déterminer la différence de masse (ou de poids).
L'invention de la balance à bras égaux remonte au moins à l'époque des anciens Égyptiens, peut-être dès 5000 avant JC. Dans les premiers types, la poutre était supportée au centre et les casseroles étaient suspendues aux extrémités par des cordes. Une amélioration ultérieure de la conception a été l'utilisation d'une épingle à travers le centre de la poutre pour le palier central, introduite par les Romains à l'époque du Christ. L'invention des tranchants au XVIIIe siècle a conduit au développement de l'équilibre mécanique moderne. À la fin du 19e siècle, la balance était devenue en Europe l'un des types d'appareils de mesure les plus précis au monde. Au 20e siècle, des balances électroniques ont été développées, en fonction de la compensation électrique plutôt que de la déflexion mécanique.
L'équilibre mécanique consiste essentiellement en une poutre rigide qui oscille sur un tranchant central horizontal comme point d'appui et dont les deux tranchants d'extrémité sont parallèles et équidistants du centre. Les charges à peser sont supportées sur des plateaux suspendus à des roulements. Pour la meilleure conception, deux ou plusieurs arêtes de couteau supplémentaires sont situées entre le palier d'extrémité et le plateau, l'une pour empêcher l'inclinaison de l'avion et l'autre pour fixer le centre de charge à un point particulier sur l'arête du couteau d'extrémité. Un mécanisme d'arrêt empêche les dommages pendant le chargement en séparant les lames des couteaux de leurs roulements. La déviation de la balance peut être indiquée par un pointeur attaché au faisceau et passant sur une échelle graduée ou par réflexion d'un miroir sur le faisceau à une échelle distante.
La méthode la plus évidente d'utilisation d'une balance est la pesée directe. Le matériau à peser est placé sur un plateau, avec suffisamment de poids connus sur l'autre plateau pour que la poutre soit en équilibre. La différence entre la lecture zéro et la lecture avec les bacs chargés indique la différence entre les charges dans les divisions de l'échelle. Une telle pesée directe nécessite que les bras soient de longueur égale. Lorsque l'erreur résultant de bras inégaux est supérieure à la précision requise, la méthode de substitution de pesée peut être utilisée. Dans cette méthode, des contrepoids sont ajoutés à un plateau pour équilibrer la charge inconnue de l'autre. Ensuite, des poids connus sont substitués à la charge inconnue. Cette méthode nécessite seulement que les deux bras de la poutre maintiennent les mêmes longueurs pendant la pesée. Tout effet de l'inégalité est le même pour les deux charges et est donc éliminé.
De petites microbalances à quartz avec des capacités inférieures à un gramme ont été construites avec une fiabilité beaucoup plus grande que celle habituellement trouvée avec de petites balances de type dosage ayant une poutre métallique avec trois couteaux. Les microbalances sont utilisées principalement pour déterminer les densités de gaz, en particulier de gaz pouvant être obtenus uniquement en petites quantités. La balance fonctionne généralement dans une chambre étanche au gaz, et un changement de poids est mesuré par la variation de la force de flottabilité nette sur la balance en raison du gaz dans lequel la balance est suspendue, la pression du gaz étant réglable et mesurée par un manomètre à mercure relié au boîtier de la balance.
L'ultramicrobalance est tout appareil de pesée qui sert à déterminer le poids d'échantillons plus petits que ceux qui peuvent être pesés avec la microbalance, c'est-à-dire des quantités totales aussi petites qu'un ou quelques microgrammes. Les principes sur lesquels les ultramicrobalances ont été construites avec succès incluent l'élasticité dans les éléments structuraux, le déplacement dans les fluides, l'équilibrage au moyen de champs électriques et magnétiques, et leurs combinaisons. La mesure des effets produits par les masses minuscules pesées a été effectuée par des méthodes de rayonnement optique, électrique et nucléaire pour déterminer les déplacements et par des mesures optiques et électriques des forces utilisées pour rétablir un déplacement causé par l'échantillon à peser.
Le succès des balances traditionnelles dans les temps modernes a reposé sur les propriétés élastiques de certains matériaux appropriés, en particulier les fibres de quartz, qui ont une grande résistance et élasticité et sont relativement indépendantes des effets de la température, de l'hystérésis et de la flexion inélastique. Les ultramicrobalances les plus réussies et les plus pratiques ont été basées sur le principe de l'équilibrage de la charge en appliquant un couple à une fibre de quartz. Une conception simple utilise une fibre rigide comme poutre horizontale, supportée en son centre par une fibre de torsion de quartz horizontale étirée à elle à angle droit. À chaque extrémité de la poutre, un plateau est suspendu, l'un contrebalançant l'autre. La déviation du faisceau provoquée par l'ajout de l'échantillon dans un plateau est restaurée en faisant tourner l'extrémité de la fibre de torsion jusqu'à ce que le faisceau soit à nouveau dans sa position horizontale et que toute la plage de torsion dans la fibre de suspension puisse être appliquée à la mesure de la charge ajoutée à une casserole. La quantité de torsion nécessaire à la restauration est lue au moyen d'un cadran fixé à l'extrémité de la fibre de torsion. Le poids est obtenu en étalonnant la balance par rapport à des poids connus et en lisant la valeur du tableau d'étalonnage du poids en fonction de la torsion. Contrairement aux balances à déplacement direct qui ne dépendent que de l'élasticité des éléments de structure, la balance de torsion permet à la gravité d'équilibrer la plus grande composante de la charge, c'est-à-dire les plateaux, et se traduit par une capacité de charge considérablement accrue.
Les balances de la fin du 20e siècle étaient généralement électroniques et beaucoup plus précises que les balances mécaniques. Un scanner a mesuré le déplacement de la casserole retenant l'objet à peser et, au moyen d'un amplificateur et éventuellement d'un ordinateur, a généré un courant qui a remis la casserole à sa position zéro. Les mesures ont été lues sur un écran numérique ou imprimé. Les systèmes de pesage électroniques mesurent non seulement la masse totale mais peuvent également déterminer des caractéristiques telles que le poids moyen et la teneur en humidité.
