balance (pesée)
balance (pesée), dispositif mécanique ou électromécanique servant à déterminer le poids, et donc la masse d'un corps, en comparant cette grandeur à une référence connue. Cet instrument est utilisé depuis l'Antiquité dans des contextes très variés, allant du commerce et de l'artisanat aux applications scientifiques de haute précision. La balance constitue ainsi un outil fondamental pour la mesure des masses, reposant sur des principes physiques simples tels que l'équilibre des forces et les lois du levier.
Balance de Roberval
Le mécanisme de pesage le plus simple et le plus classique est la balance de Roberval, à deux plateaux découverts, qui a longtemps été utilisée dans les marchés, les boutiques et les laboratoires élémentaires. Elle est constituée d'une barre métallique rigide appelée fléau, pivotant autour d'un axe central horizontal, à chaque extrémité de laquelle est suspendu un plateau. Les plateaux sont soigneusement ajustés de façon que, lorsqu'ils sont vides, il existe un équilibre parfait, ce qui garantit la précision de la mesure.
Pour effectuer une pesée, on place le corps à peser sur l'un des plateaux, puis on ajoute progressivement des masses étalonnées, appelées poids, dans le second plateau, jusqu'à ce que le fléau retrouve sa position horizontale d'équilibre. À cet instant, le poids de la charge inconnue est exactement égal à la somme des masses placées sur l'autre plateau. Ce système simple repose sur le principe d'égalité des moments de force de part et d'autre du point d'appui.
Balance romaine
Comme la balance de Roberval, la balance romaine se compose d'un fléau suspendu sur un point d'appui, mais elle fonctionne selon un principe légèrement différent, fondé sur un levier dissymétrique. On effectue les pesées en équilibrant un poids connu d'un côté du fléau avec un poids inconnu placé de l'autre côté. Cependant, contrairement à la balance à deux plateaux, le fléau n'est pas symétrique : le corps à peser est suspendu au bras de levier le plus court, tandis que la masse connue, appelée curseur ou contrepoids, coulisse le long du bras le plus long.
Pour déterminer la masse, on déplace ce poids le long d'une tige graduée jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. La position du poids sur les graduations correspond alors directement à la valeur de la masse recherchée. Ce dispositif, simple et robuste, a été largement utilisé dans les échanges commerciaux et les activités agricoles en raison de sa facilité d'utilisation et de sa portabilité.
Balances de précision
Les balances modernes utilisent des principes similaires à ceux des balances traditionnelles, mais elles intègrent des technologies avancées permettant d'atteindre des niveaux de précision extrêmement élevés. Elles peuvent être mécaniques, mais sont aujourd'hui le plus souvent électroniques, utilisant des capteurs de force ou des jauges de contrainte pour convertir une masse en signal électrique mesurable.
Les balances de précision utilisées dans les laboratoires scientifiques permettent d'effectuer des pesées très fines, parfois avec une précision inférieure au millionième de gramme. Afin de garantir cette exactitude, ces dispositifs sont généralement protégés par des enceintes fermées en verre ou en plastique, qui les isolent des perturbations extérieures telles que les courants d'air, les vibrations ou les variations de température, susceptibles d'altérer les mesures.
Les microbalances, quant à elles, représentent une catégorie encore plus spécialisée d'instruments de mesure. Contrairement aux balances classiques, elles permettent de mesurer des masses extrêmement faibles, inférieures au centième de milligramme, et pouvant atteindre le millième de milligramme. Elles sont utilisées dans des domaines de recherche avancée, comme la chimie analytique, la physique ou la biologie, où la précision des mesures est essentielle pour l'étude de phénomènes à très petite échelle.
Balances automatiques et balances électroniques
Dans les balances automatiques, une aiguille mobile se déplace sur un cadran circulaire muni d'une graduation précise et lisible. Ce système permet une lecture directe et rapide du résultat de la pesée sans manipulation complexe. Lorsque la balance atteint une position d'équilibre stable, l'aiguille s'immobilise sur la graduation correspondant exactement au poids à déterminer. Ce type d'appareil est largement utilisé dans le commerce et dans certains environnements industriels pour sa simplicité d'utilisation et sa rapidité d'exécution.
Certaines balances automatiques industrielles sont dotées de fonctions supplémentaires permettant non seulement de mesurer le poids, mais aussi de contrôler automatiquement la conformité d'un produit par rapport à une valeur cible. D'autres dispositifs, plus avancés, sont conçus pour effectuer automatiquement la mise en paquets de marchandises en respectant un poids prédéterminé, ce qui améliore considérablement la productivité et la régularité dans les chaînes de production.
Les balances électroniques, développées au cours du XXe siècle avec l'essor de l'électronique et de l'informatique, fonctionnent au moyen de capteurs électriques sophistiqués. Elles présentent de nombreux avantages par rapport aux balances mécaniques traditionnelles : elles sont généralement plus rapides, plus précises et permettent une lecture directe sous forme numérique. De plus, elles peuvent être intégrées dans des systèmes informatiques, ce qui les rend nettement plus utiles et efficaces pour la gestion automatisée des données, le suivi de production ou les analyses statistiques.
Un grand nombre de balances électroniques modernes utilisent une cellule dynamométrique à jauge de contrainte, technologie largement répandue dans les systèmes de mesure. Ce type de balance comprend un plateau soutenu par une structure rigide, souvent une colonne ou un cadre métallique, sur laquelle est fixée une jauge de contrainte. Cette jauge est constituée d'un fil très fin ou d'un circuit imprimé dont la résistance électrique varie en fonction de la déformation mécanique qu'il subit.
Lorsqu'une charge est placée sur le plateau, la structure support et la jauge de contrainte sont légèrement comprimées ou étirées. Cette déformation, bien que très faible, entraîne une variation mesurable de la résistance électrique du capteur. Cette variation est ensuite convertie en signal électrique, amplifiée, puis interprétée par un circuit électronique qui affiche directement le poids, et donc la masse, de l'objet sur un écran numérique. Ce procédé permet d'obtenir des mesures très précises et reproductibles.
Justesse et fidélité
Une balance est dite juste lorsqu'elle retrouve immédiatement sa position d'équilibre initiale à vide après qu'une pesée a été effectuée. Cette propriété dépend notamment de la symétrie parfaite des bras du fléau dans les balances mécaniques, qui doivent être de même longueur et parfaitement équilibrés. Une balance correctement réglée ne doit pas présenter de déviation résiduelle une fois les charges retirées.
On peut tester la justesse d'une balance en intervertissant les masses marquées avec le corps à peser sur les plateaux. Si l'équilibre est maintenu dans les deux configurations, cela signifie que la balance ne présente pas de biais systématique. Toutefois, en pratique, aucune balance n'est parfaitement juste en raison des imperfections mécaniques, des frottements ou des influences extérieures.
La fidélité d'une balance correspond à sa capacité à fournir des mesures reproductibles dans des conditions identiques. Autrement dit, pour une même masse mesurée plusieurs fois, les résultats obtenus doivent être très proches les uns des autres. Cette caractéristique est essentielle en métrologie et en laboratoire, où la précision des résultats dépend autant de la justesse que de la répétabilité des mesures.