Waage

Briefwaage

Postwaage (ca. 1971)

Eine Waage ist ein Messgerät zur Bestimmung einer Masse. Üblicherweise erfolgt dies über die Gewichtskraft. Die Gewichtskraft wird entweder direkt gemessen, wie etwa bei einer Federwaage. Oder sie wird mit der Gewichtskraft einer bekannten Masse verglichen. Ein Beispiel dafür ist die Balkenwaage.

Bei Waagen der ersten Art hängt die Messung vom Ortsfaktor ab. Bei beiden Arten wird der Wägewert durch den statischen Auftrieb in der Luft beeinflusst. Abhängig von der Anwendung und der benötigten Genauigkeit werden diese Einflüsse vernachlässigt oder durch geeignete Maßnahmen berücksichtigt.

Eine besondere Form ist die Zählwaage, die aus der Masse eines oder mehrerer Einzelstücke die Anzahl vieler gleicher Objekte bestimmt.

Zusammenhang von Masse und Erdbeschleunigung

Gewichtsstück

Bei hohen Anforderungen an die Präzision müssen Waagen der ersten Art (Gewichtskraftmessung) am jeweiligen Ort justiert werden, da die Erdbeschleunigung unterschiedlich ist. Es gilt der Zusammenhang

${\text{Masse in kg}}={\frac {\text{Gewichtskraft in N}}{{\text{Erdbeschleunigung in }}{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}}}$

Die Abweichung der Erdbeschleunigung an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche beträgt jedoch weniger als 1 Prozent, so dass bei vielen Waagen dieser Effekt vernachlässigt wird.

Eigenschaften

• Wägebereich
• Ablesbarkeit
• Präzision (siehe auch: Genauigkeitsklasse eines Wiegesystems)
• Reproduzierbarkeit
• Linearität
• Größe (variabel)
• Position (z. B. Tischwaage, Bodenwaage, Kranwaage)

Geschichte

Alte Erzwaage in Olbernhau-Grünthal

Zeigerschnellwaage

Ein Waagebalken aus dem 5. Jahrtausend v. Chr. wurde in einem prähistorischen Grab in Ägypten entdeckt. Früheste ägyptische Abbildungen einfacher Balkenwaagen stammen aus der Zeit um 2000 v. Chr. Die Aufhängung des Waagebalkens bestand aus einem Seil, an seinen äußeren Enden hingen die Waagschalen. Um 500 v. Chr. verbesserten Etrusker die Genauigkeit der Balkenwaage. Die Römer kannten auch ungleicharmige Waagen, der längere Arm trug ein verschiebbares Wägestück sowie eine Strichmarkierung. In der Renaissance kamen in alchimistischen Labors hochempfindliche Analysewaagen zum Einsatz.

1669 erfand der Franzose Gilles Personne de Roberval die Tafelwaage. Sie hatte den Vorteil, dass die Position der zu wägenden Last auf den Waagschalen das Ergebnis nicht beeinflusste. 1763 baute der schwäbische Pfarrer Philipp Matthäus Hahn eine Neigungswaage mit direkter Gewichtsanzeige. Dezimal- und Küchenwaagen entstanden in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Um 1850 wurden Versuche unternommen, das Wägeergebnis automatisch zu drucken. 1895 kamen in den USA Waagen mit gleichzeitiger Preisanzeige auf (preisrechnende Waagen). 1939 leiteten zwei amerikanische Ingenieure mit der Nutzung elektrischer Widerstandsänderungen das Zeitalter der elektronischen Waagen ein.

Mechanische Waagen

Bei den mechanischen Waagen unterscheidet man die oben genannten beiden Grundprinzipien, Gewichtskraftmessung und Massenvergleich.

Wägen durch Messung der Gewichtskraft

Bei der einfachsten Form der Federwaage wird das Wägeobjekt an eine Schraubenfeder gehängt und die Verlängerung gemessen. Anhand der Federkonstante wird dadurch die Gewichtskraft ermittelt und mit der entsprechenden Skala auf die Masse abgebildet. Verwandte Messprinzipien basieren ebenfalls auf Verformungsmessung, beispielsweise mit Membranen, Kraftsensoren, Kraftmessdosen, Piezoeffekt oder Ringtorsion.

Es gibt Federwaagen und Kraftmesser für verschiedene Messbereiche. Beispiele:

• eine einfache Federwaage wird volkstümlich auch „Lumpenwaage“ genannt
• höherwertige Federwaagen in runder Bauform mit Zeiger (Zeigerschnellwaage)
• Haushaltswaage, ein Hand-/Tischgerät bis etwa 10 kg
• Küchenwaage und Babywaage, bis 5 oder 10 kg
• Personenwaage für das Körpergewicht (meist bis 130 oder 150 kg, Genauigkeit 0,1 bis 3 kg).
• Standgeräte für industrielle Zwecke oder im Handel (Wägebereich/Skalenteilung meist 25 kg/50 g, 50 kg/100 g oder 100 kg/200 g, Genauigkeit 0,1–0,2 %).
• Membranwaagen und Barometer
• Mikrowaagen und Präzisions-Federwaagen für Labore, den Physikunterricht etc., Genauigkeiten 0,1–0,5 %.

Wägen durch Massenvergleich

Digitale Kranwaage mit Rammschutz in geeichter Ausführung

Zweischalige Tafelwaage zum Massenvergleich

Schnellwaage aus Aluminium in China. Der Anwender kann auf zweierlei Weise die Hebelwirkung verändern: erstens durch Verschieben des Referenzgewichts (rechts im Bild), zweitens durch die Wahl des Halterings (links im Bild).

Dezimalwaage: Das Wägegut wird auf der Plattform (links) abgestellt. Sein Gewicht wird teilweise auf den Boden abgetragen und teilweise – an zwei Aufhängepunkten – auf den Hebelarm übertragen.

Die Masse eines Körpers wird durch den Vergleich mit Standardgewichten bestimmt. Auch diese Waagen arbeiten mit der Gravitation, müssen jedoch nicht auf die unterschiedlichen örtlichen Bedingungen eingestellt werden und könnten daher auch auf anderen Himmelskörpern, wie zum Beispiel dem Mond verwendet werden. Die Referenzgewichte beginnen bei 0,1 mg für Apothekerwaagen und enden bei 10 kg für Marktwaagen.

• Eine Balkenwaage misst die Balance zweier durch die Gewichte von Wägegut und Eichgewicht erzeugten Drehmomente. Im einfachsten Fall ist es ein im Drehpunkt gelagerter Waagebalken, an dessen Enden zwei Waagschalen im selben Abstand vom Drehpunkt aufgehängt sind. Eine früher in vielen Haushalten und Küchen anzutreffende Variante der Balkenwaage ist die Tafelwaage (Roberval-Waage), bei der die Waagschalen an einem Hebel-Parallelogramm befestigt sind und sich oberhalb des Waagebalkens befinden.
• Eine Schnellwaage, auch Laufmassenwaage oder Laufgewichtswaage, früher auch Besemer genannt, besteht aus einem Stab, der beim Wägevorgang in zwei ungleiche Hebelarme aufgeteilt wird. Am einen Hebelarm befindet sich das Ausgleichsgewicht, am anderen ein Haken zum Aufhängen des Wägegutes. Das Verhältnis der Hebelarme kann mit einer Zunge und Handhabe verschoben werden, bis bei angehängtem Wägegut Gleichgewicht eintritt. Schnellwaagen wurden bereits in vorchristlicher Zeit von Griechen, Römern und Chinesen verwendet. An dem Stab kann sich eine Skala befinden.
• Eine Dezimalwaage ist für größere Lasten geeignet. Sie arbeitet ebenfalls nach dem Prinzip des zweiseitigen Hebels und ist so konstruiert, dass zum Beispiel eine zu wägende Masse von 100 kg mit einem Referenzgewicht von 10 kg aufgewogen wird.
• Eine Neigungswaage misst die Auslenkung eines festen Gewichts an einem Hebelarm. Dieses Prinzip wird bei vielen Briefwaagen verwendet.

• 
  Römische Schnellwaage aus Pompeji
• 
  Laufmassenwaage mit Skala
• 
  Waage für Schüttgut, nach dem Prinzip der Dezimalwaage

Elektronische und elektromechanische Waagen

Mechanische Geräte sind heute weitgehend durch elektronische Waagen ersetzt. Sie sind robuster, genauer, schneller ablesbar und häufig preiswerter. Elektronische Analysenwaagen haben oft ein Gehäuse als Schutz vor Luftbewegungen, Programme zum Kalibrieren und spezielle Dämpfungen zur Verhinderung von Erschütterungen. Sie messen im Bereich von einigen hundert Gramm (typischerweise 200 – 300 g) mit einer Empfindlichkeit bis etwa 0,1 mg, was einem Dynamikbereich von 10⁶ entspricht. Sie sind nach DIN 8128-1 (2011-05-00) Selbsttätige Waagen für Einzelwägungen - Teil 1: Metrologische und technische Anforderungen - Prüfung definiert.

Funktionsweise elektronischer Waagen

Allen elektrischen Waagen gemein ist die notwendige Umformung der Gewichtskraft, die sich nicht direkt messen lässt, in eine Verformung bzw. einen Weg. Dies wird meist über eine Feder bzw. einen Biegebalken gelöst, wobei die Feder in einer Kranwaage ein verhältnismäßig massiver Metallblock sein kann.

Das direkte Verfahren misst die Verformung der Feder/des Biegebalkens über einen Dehnungsmessstreifen, die indirekte Wegmessung kann z. B. über die Kapazitätsänderung eines Kondensators bei Änderung des Plattenabstandes erfolgen.

Beispiele sind etwa elektronische Tischwaagen für Großküchen, Bäckereien oder Labore.

Elektromechanische Waagen für Industrie und Transport

Straßenbrückenwaage

Gleisbrückenwaage

Elektronische Tisch- und Zählwaage (Max.: 5000 g, d: 1 g)

Bei modernen elektromechanischen Waagen kommen vor allem zwei Sensor-Prinzipien zum Einsatz:

• Waagen mit Wägezellen, die mit Dehnungsmessstreifen (DMS, engl. Strain Gauge, Strain Gage) arbeiten
• Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation

Seltener findet man auch Waagen mit Sensorelementen, welche mit Schwingsaiten arbeiten oder bei welchen kapazitive oder piezoresistive Sensoren zum Einsatz kommen.

Beispiele:

• Plattform- und Fahrzeugwaagen: Wägebrücken (Brückenwaage) mit mehreren Messdosen und Messterminal
  • Straßenbrückenwaage für Lkw und Silotransporte
  • Gleisbrückenwaage für Eisenbahnwagen
• Statische / Dynamische Achslastwaage
• Kranwaagen mit 10–20 Messbereichen à ± 0,2 %
• Palettenwaagen (z. B. 10 bis 1500 kg ± 0,5 kg)
• Sonderwaagen für Langgut, schweren Industrieeinsatz usw.
• Wägeterminals mit Abfüllsteuerung (siehe: Abfüllwaage) für Flüssigkeiten, Bigbag, Dosierung, Verladung usw.
• Bodenwaagen mit Funktions- und Zifferntastatur und Standardprogrammen

Zählwaagen

Zählwaagen drehen das Messprinzip des Gewichtsvergleichs um, indem sie aus dem Verhältnis des Gewichts einer Stückmenge zu einem einzelnen dieser Stücke deren Zählmaß errechnen. Bei großen Stückzahlen vergleicht man auch mit dem Gewicht einer größeren Stückmenge, etwa 100 Stück.

Besondere Waagen für Technik und Physik

• Sechs-Komponenten-Waage: Durch Messung der drei Kräfte und der drei Drehmomente in einem orthogonalen Koordinatensystem lassen sich mit einer solchen Waage beispielsweise in einem Windkanal alle Wirkungen der Luftströmung auf ein Modell messen.
• Gravimeter für Geophysik und Geodäsie: Präzisions-„Federwaage“ (Schrägbalken) oder mit Supraleitung, Messung des Erdschwerefeldes von 950 bis 990 Gal ± 0,001 mGal (1 Gal = 1 cm/s²).
• Drehwaage (Henry Cavendish bestimmte 1798 mit einer Drehwaage die Gravitationskonstante)
• Watt-Waage für Überprüfung des Ur-Kilogramms: sie vergleicht über eine Zeitmessung die mechanische mit der elektrischen Leistung.
• Komparatorwaage oder Massekomparator der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) zum Vergleich von Kilogrammprototypen. Das Gerät steht in einem Gehäuse, das Messungen im Vakuum (0,005 mbar) erlaubt. Das vermeidet den Messfehler durch unterschiedlichen statischen Auftrieb von Prototyp und Probekörper in der Luft. Der derzeit genaueste Massekomparator der PTB hat eine Standardabweichung von 1*10⁻¹⁰ kg. Er dient unter anderem auch der Forschung zur Umstellung des alten Kilogramm-Normals („Ur-Kilogramm“) auf eine Silizium-Kugel mit definierter Anzahl an Atomen.
• Cottonwaage (eine magnetische Waage) zur schnellen und genauen Gewichtsmessung von Münzen, erfunden von William Cotton während seiner Zeit als Direktor der Bank von England von 1842 bis 1845.
• Luftgewichtsmesser, Dichtemessgerät

Arten von Waagen

Laufgewichtswaage für den Haushalt, um 1935

Apothekerwaage älterer Bauart, Wägebereich 0,1 g bis 1 kg

Geldwaage eines deutschen Handelsunternehmens

Nach Anwendung

Für Personen und den Haushalt:

• Personenwaage
• Babywaage
• Körperfettwaage
• Briefwaage
• Kofferwaage
• Küchenwaage

Gewerblich:

• Apothekerwaage
• Geldwaage
• Kontrollwaage
• Bienenstockwaage

Medizinisch:

• Bettwaage

Für Fahrzeuge:

• Radladerwaage
• Achslastwaage
• Stützlastwaage

Historisch:

• Dorfwaage
• Stadtwaage

Nach Bauart

• Balkenwaage
• Dezimalwaage, oft als Sackwaage mit Plateau und Wand zum Anlehnen des Sacks
• Federwaage
• Kranwaage
• Mehrkopfwaage
• Neigungswaage
• Ringkraftmesser
• Schalenwaage
• Tafelwaage
• Mondwaage mit elliptisch gebogener Blattfeder-Ellipse, innerhalb davon der geschützte Zeiger und mondsichelförmige Skala
• Zeigerwaage

Nach Genauigkeit

→ Hauptartikel: Genauigkeitsklasse eines Wiegesystems

Präzisionswaagen erreichen Genauigkeiten bis 0,01 %. Einteilung nach Genauigkeit:

• Mikrowaage, z. B. mit einem Ziffernschritt von 1 µg
• Analysenwaage, z. B. mit einem Ziffernschritt von 0,1 mg
• Feinwaage, mit einem Ziffernschritt von 1 mg bis 100 mg
• Handelswaage
• Grobwaage

Wortgeschichte

Etymologie und Schreibweise

Das Wort Waage (ahd. wāga, mhd. wāge) ist verwandt mit dem Verb bewegen. Beide Wörter gehen auf eine indogermanische Wurzel zurück, die „bewegen“ bedeutet. Eine Waage ist im ursprünglichen Wortsinn ein sich bewegender, schwingender Gegenstand. Das Verb wagen (mhd. wāgen) mit der Bedeutung „sich trauen, etwas riskieren“ ist eine Ableitung aus mhd. wāge (= Waage) und bedeutet eigentlich „etwas auf die Waage legen“.

Im Jahre 1927 wurde die Schreibung zur besseren Unterscheidung zu Wagen von Wage auf Waage geändert.

Wägen und Wiegen

Die Verben wägen und wiegen bedeuten beide „das Gewicht bestimmen“, unterscheiden sich jedoch in der Wortgeschichte und im heutigen Wortgebrauch.

• Das ältere Verb ist wägen (ahd. wegan, mhd. wegen). Ursprünglich hatte es die Bedeutung „(sich) bewegen“. Das Präfix-Verb bewegen ist aus dem alten Verb wegen abgeleitet und hat dessen ursprüngliche Bedeutung übernommen. Für die Bedeutung „das Gewicht bestimmen“ entstand im 16. Jahrhundert unter dem Einfluss von wage (= Waage) die Schreibweise wägen (anstelle von wegen). Aus der Bedeutung „das Gewicht bestimmen“ entwickelte sich die übertragene Bedeutung „prüfend überlegen“, „erwägen“.
• Das Verb wiegen ist eine jüngere Variante von wägen. Es entstand im 16. Jahrhundert aus zwei gebeugten Wortformen von wägen: (du) wiegst und (er) wiegt.
• Im Präteritum und Perfekt ist kein Unterschied auszumachen, beide Wörter haben wog, gewogen; wägte, gewägt kommt nur in der übertragenen Bedeutung vor.

Das Bestimmen des Gewichts wird heute in der Allgemeinsprache fast nur mit dem jüngeren Verb wiegen ausgedrückt. In der Fachsprache hat sich wägen jedoch gehalten. Darüber hinaus ist wägen in der Schweiz gebräuchlich.

Das im Präsens gleichlautende Verb wiegen (aber schwach: wiegte, gewiegt) mit der Bedeutung „sanft hin und her bewegen“ ist von Wiege abgeleitet. Die Wörter Wiege und Waage sind nicht direkt verwandt, wahrscheinlich gehen sie aber mit der gemeinsamen Grundbedeutung „sich bewegender Gegenstand“ auf dieselbe indogermanische Wortwurzel zurück.

Übertragener Wortgebrauch

Eine Verbreitung in der religiösen Ikonographie erfuhr das Gerät besonders im Bild der Seelenwaage.

Das Wort Waage ist auch in Bezeichnungen für einige technische Geräte enthalten, mit denen nicht das Gewicht bestimmt wird:

• Mit einer Wasserwaage wird die horizontale oder vertikale Ausrichtung überprüft.
• Die Setzwaage ist der historische Vorläufer der Wasserwaage. Mit einer Setzwaage kann nur die horizontale Ausrichtung überprüft werden.
• Eine Senkwaage dient zur Bestimmung der Dichte oder des spezifischen Gewichts von Flüssigkeiten. Ein bekanntes Beispiel ist die Mostwaage (auch Oechsle-Waage genannt), mit der die Dichte von Traubenmost gemessen wird. Die Messung des spezifischen Gewichts (= Gewicht pro Volumen) ist nahezu dasselbe wie eine Gewichtsmessung, insofern kann eine Senkwaage tatsächlich als „Waage für Flüssigkeiten“ gelten.
• Mit einer Drehwaage werden sehr kleine Kräfte gemessen, z. B. die Massenanziehung zwischen zwei Körpern.

Im allgemeinen Sprachgebrauch greifen einige Redewendungen auf das Bild der Waage zurück:

• sich die Waage halten
• jedes Wort auf die Goldwaage legen

Literatur

• Heinrich Böll: Die Waage der Baleks
• Karl Erich Haeberle: Zehntausend Jahre Waage. Aus der Entwicklungsgeschichte der Wägetechnik. Bizerba-Werke, Balingen 1967.
• Hans R. Jenemann, Arno M. Basedow, Erich Robens: Die Entwicklung der Makro-Vakuumwaage, Wirtschaftsverlag NW u. a., Bremerhaven 1992, ISBN 3-89429-214-8, (PTB-Bericht - TWD 38).
• Manfred Kochsiek (Hrsg.): Handbuch des Wägens. 2. bearbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg, Braunschweig u. a. 1989, ISBN 3-528-18572-4.
• Roland Nater, Arthur Reichmuth, Roman Schwartz, Michael Borys, Panagiotis Zervos: Wägelexikon: Leitfaden wägetechnischer Begriffe, Springer, Berlin Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75907-2.
• Richard Vieweg: Aus der Kulturgeschichte der Waage. Bizerba-Werke, Balingen 1966.
• Hans R. Jennemann: Über altägyptische Kleinwaagen und artverwandte Wägeinstrumente. In: Technikgeschichte, Bd. 62 (1995), H. 1, S. 1–26.

Weblinks

Wiktionary: Waage – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Waagen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien