저울

양팔저울과 추

천칭과 분동

용수철저울

약저울

전자저울

저울(weighing machine)은 무게 또는 상대적인 질량의 비를 측정하는 데 쓰이는 기구의 총칭이다. 물체의 무게는 측정하고자 하는 무게와 표준이 되는 힘을 지렛대의 원리를 이용하여 직접 비교하거나 또는 힘의 모멘트와 비교하여 구한다. 표준이 되는 힘으로는 분동(分銅)의 질량, 스프링의 탄성력(彈性力), 진자(振子)의 복원력·압력·전자기력 등이 이용된다.

종류에는 천칭·기계식·전자식의 세 가지가 있다. 천칭에는 양팔저울과 대저울이 있는데, 기원전 2500년경 이집트에서 최초로 쓰였다. 기계식 저울에는 막대저울, 용수철저울, 전자저울 등이 있는데, 18세기에 처음으로 등장한 것으로 무거운 짐이 주는 힘을 예민한 무게표시장치로 읽을 수 있도록 되어 있다. 전자식 저울은 단순히 무게를 측정하는 외에도 개수·가격·정보 전송까지 할 수 있는 기능을 갖추고 있다.

개요

저울이란, 물체의 질량과 무게를 잴 때 사용하는 도구를 말한다. 질량은 물체의 고유한 양을 나타내는 척도이고, 질량이 중력장 내에서 F=ma의 공식에 의해 물체 아래를 받치는 다른 물체에 가하는 힘으로 표현되는 게 무게이다. 따라서 원래 무게는 질량의 단위 kg이 아닌 힘의 단위 N(뉴턴) 등으로 써야 하지만, 중력 가속도가 일정할 경우 질량과 무게는 비례하고, 지구상에서의 중력 가속도는 그 차이가 미세하므로 실생활에서는 질량과 무게를 혼용한다.

중세 시대나 먼 옛날에는 천칭을 사용했는데, 자연히 상거래에서 무게를 속이는 경우가 흔했다. 고대 이집트의 사자의 서나 성경 등의 종교 문서에서도 사기죄의 대표격으로 직접 언급될 정도로 고대인들에게 많은 해악을 끼친 범죄였다. 오늘날에도 시장(특히 수산시장) 등에서 이런 사기를 치는 경우가 종종 있으니 주의하자.

사람 등 살아 있는 생물의 무게를 체중이라고 하고 그 생물의 무게를 재는 도구를 체중계라고 한다.

질량과 무게

질량은 관성으로서의 성질과 만유인력을 일으키게 하는 두 가지 성질이 있다. 전자를 '관성 질량', 후자를 '중력 질량'이라고 부르기도 한다. 예를 들어, 어떤 물체가 무겁다는 것은 중력 질량이 크다는 뜻이 된다. 또 경첩으로 고정된 커다란 문이 비록 기름칠이 잘 되어 있어서 경첩 부분에 마찰이 거의 없다 하더라도 이 문을 열려면 힘이 드는 이유는 문의 관성질량이 크다는 것을 뜻한다. 그러므로 물체가 지니고 있는 질량은 항상 물체가 가지고 있는 일정한 양이라고 규정할 수 있다. 무게란 보통 그 물체와 지구 사이의 인력을 말한다. 이것은 물체의 질량에 비례하므로 편의상 무게로써 질량을 나타내는 경우가 많다. 질량 1kg인 물체의 무게는 9.8뉴턴(N)인데, 일일이 9.8이라는 수치를 곱하기는 번거로우므로 보통 질량 1kg이라고 부른다.

관성 질량을 측정하기는 매우 어렵다. 그것에 작용하는 힘과 물체의 가속도라는 양자를 동시에 측정하지 않으면 안 되기 때문이다. 특히 가속도, 즉 속도 증가의 비율을 눈금으로 읽는다는 것은 어렵다. 때문에 대개는 중력 질량을 측정한다. 특히, 지구 위에서는 무게가 질량에 비례하므로 무게의 측정이 그대로 질량을 측정한 것이 된다. 그러나 엄밀하게 말하면 질량은 같더라도 무게는 지구 위의 장소에 따라 조금씩 다르다.

저울의 종류

질량을 재는 저울

한쪽에 질량을 재고자 하는 물체를 올려놓고 다른 쪽에 이미 질량을 아는 분동이나 추 등을 올려놓아 저울을 평형 상태로 맞추는 원리이다. 평형 상태에서 추의 질량은 곧 물체의 질량과 같다. 물체와 추는 중력이 다른 공간에서도 평형 상태를 유지하기 때문에, 예를 들면 달이나 화성에서도 똑같은 결과가 나온다.

천칭

영어로 balance, 한자로 균형에 대응하는 단어가 맞다. 10g, 1g, 혹은 0.1g이나 0.01g 등의 질량을 가진 분동을 미리 준비하고, 측정하려는 물체의 무게가 이들 분동을 물체의 무게에 맞추는 장치를 만들면 장소에 관계없이 물체의 정확한 질량을 얻을 수 있다. 이 장치의 대표적인 것이 천칭(天秤)이다.

천칭은 보통 수평한 저울대의 중앙을 나이프에지로 받치고, 받침점 양쪽의 동일 거리가 되는 곳에 접시를 매달아 그 한쪽에는 물체를, 다른 한쪽에는 분동을 얹어서 저울대가 수평으로 될 때 분동의 양을 확인한다.

천칭의 본래의 목적은 질량을 되도록 정밀하게 측정하는 데 있다. 그러므로 감도가 예민할수록 좋다. 감도가 예민하다는 것은, 물체와 분동 사이에 질량이 약간의 차이가 있어도 저울대가 한쪽으로 기울어짐을 말한다. 이렇게 하기 위해서는 저울대를 가급적 길게, 가볍게 만들고, 저울대와 양쪽의 접시를 포함한 것의 중심이 너무 낮지 않아야만 한다. 중심이 높으면 그만큼 불안정해져서, 받침점 양쪽의 무게가 약간의 차이가 있어도 민감하게 반응하여 저울대는 크게 기울어지게 된다.

천칭에는 분동과 물체를 얹는 접시가 저울대 위에 놓여 있는 것도 있다.

양팔저울

양팔저울은 무게를 측정하는 데 사용되는 도구로 물체의 무게를 알아내는데 사용된다. 양팔저울은 일반적으로 두 개의 팔이 있고 중심을 기준으로 이 팔들이 균형을 이루도록 설계되어 있다. . 양팔저울에는 일반적으로 두 개의 팔이 있다. 이 팔들은 중심을 중심으로 회전할 수 있도록 설계되어 있으며 각가의 팔에는 저울 그릇이나 무게를 놓을 수 있는 장치가 부착되어 있다. 이 그릇은 무게를 담는 용도로 사용된다. 또한 중심점은 양팔저울의 중앙에 위치하며 팔들이 중심을 중심으로 회전할 수 있도록 지지한다. 양팔저울의 일부 모델에는 팔들의 높이를 조절할 수 있는 장치가 포함되어 있다. 이조 절 장치를 통해 물체의 무게를 정확하게 측정할 수 있다.

저울대 저울

천칭의 본래의 목적은 좌우의 무게를 동등하게 하는 것이다. 이에 대해, 처음부터 분동무게를 일정하게 하고, 그 위치를 옮김으로써 물체의 무게를 측정하는 것이 '저울대 저울'이다. 현재는 거의 사용하고 있지 않지만 용수철 저울이 보급되기 전에는 많은 상점 등에서 사용되었다.

대저울

눈금이 새겨진 막대에 한쪽에는 추, 다른 한쪽에는 고리 또는 접시가 달린 저울. 주로 한약방 등에서 많이 쓰였다. 양팔저울에 지렛대 원리를 결합하여 무거운 질량을 가벼운 추로 잴 수 있게 만든 저울이다.

윗접시저울

윗접시저울은 레버의 원리에 따라 작동한다. 윗접시 저울을 사용할 때에는 양쪽의 윗접시가 평행이 되도록 조절한 다음, 한쪽 윗접시에 물질을 올려놓고 다른 한쪽 윗접시에 분동을 한 개씩 놓아 수평을 맞춘다. 윗접시에 분동을 올려놓을 때에는 반드시 핀셋을 이용하여 분동을 집도록 한다.

수평저울

센티그램저울

아주 작은 물질의 질량을 측정하는 저울이다.

무게를 재는 저울

용수철의 탄성력이나 물체가 저울을 누르는 힘을 측정하여 눈금이나 수치로 나타내는 저울이다. 따라서 중력이 다른 공간에 이 저울을 들고 가면 수치가 다르게 나타난다. 아래에 상술하지만 정확한 저울추(분동)를 이용해 가끔 보정해 주어야 한다. (체중계 등 기계식 가정용은 보정 기능이 없는 것도 많다.)

용수철 저울

힘이라는 것은 피부로 느껴지는 정도로 정해지는 것이지만, 고무와 같은 탄성적 물질을 이용함으로써 작용된 힘을 길이로 바꾸어 그 눈금을 정확하게 읽을 수가 있다. 금속 막대에 힘을 가하면 늘어나기는 하지만 늘어나는 정도는 아주 작아서 그대로는 저울로서 사용할 수 없다. 그러나, 이것을 용수철 상태로 감으면 축의 방향에 대해 훅의 법칙이 그대로 성립된다. 용수철 상태를 가진 철사의 각 부분이 약간씩 비틀리고, 그것들이 모여 용수철이 늘어나게 되는 것이다.

체중계

체중계(體重計)는 몸무게를 측정하는데 사용되는 일종의 저울이다. 크게 기계식 체중계와 전자식 체중계로 분류된다. 기계식 체중계는 주로 스프링을 이용한 것이 많고, 온도와 같은 환경변화에 민감하기 때문에, 영점 조정이 필요하다. 전자식 체중계는 주로 로드셀이라는 무게측정 소자의 압력에 따른 전기저항값의 변화를 사용한다. SI 단위계로 주로 kg(킬로그램)으로 표현하며, 미국과 영국 등에서는 lb(파운드)를 단위로 사용한다.

전자 저울

기계식이냐 전자식이냐의 분류이지만 전자저울은 모두 무게저울이다.

앉은뱅이 저울

형상에 따른 분류인데, 대부분 무게 저울이다.

기타

과학 실험에 사용되는 전자 저울은 중력값 보정이 가능하다. 내부의 보정 장치를 통해 중력 가속도 값을 보정하면 어디에서 측정하든 항상 일정한 값이 나오므로 무게가 아닌 질량을 측정하는 기구라고 봐도 된다.

마트에 굴러다니는 저가형 전자 저울은 예외라고 생각할지 모르지만, 중력값 보정 세팅은 대부분 전자저울 내부에 있다. 일부 국가에서는 이게 안 되면 상표 등록을 못하게 해서 수익 루트가 막히기 때문. 다만 자동으로 되는 건 아니고 복잡한 조작으로 세팅 모드로 들어가서 설정해야 된다. 그리고 전자저울에서 중력값 보정 세팅을 하려면 정확한 질량의 분동이 있어야 하는데, 일반 가정집에 이런 도구가 있을 리가 없다. 분동도 결국 금속이므로 시간이 지나면 어떻게든 질량은 변하기 때문에, 전문적인 교정기관에게 교정받지 못하면 계속 사용할 수 없다.

3D Touch가 탑재된 아이폰을 간이 전자저울로 사용할 수 있는 사이트가 등장했다.

옛 저울의 한 종류인 천칭의 모양을 한 별자리가 있는데 바로 천칭자리.

천칭을 통해 무게를 정확하고 공정하게 맞춘다는 점 때문에 천칭으로 균형을 맞추는 것처럼 법과 질서 역시 공정히 맞춰야 한다는 식의 비유도 있다. 정의의 여신상은 눈을 가리고 천칭을 들고 있으며, 법조인 뱃지에도, 군대의 법무 병과장에도 양팔 저울이 들어가 있다.

참고자료

• 〈저울〉, 《위키백과》
• 〈저울〉, 《나무위키》
• 〈저울〉, 《두산백과》
• 〈체중계〉, 《위키백과》
• 비상하라, 〈양팔저울의 구조와 작동원리〉, 《티스토리》, 2024-03-02

같이 보기

• 질량
• 무게
• 체중계

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