比重計
液体の密度を測定するための装置
比重計の概略図。流体の密度が低いほど、重り付きの浮きBはより深く沈みます。深さは目盛りAから読み取られます

比重計またはラクトーメーターは、浮力の概念に基づいて液体の密度または相対密度を測定するために使用される機器です。通常、比重などの1つまたは複数の目盛りが目盛りとして付けられ、校正されています。

比重計は通常、密閉された中空のガラス管で構成され、浮力を得るための底部が広く、安定性を確保するために鉛や水銀などのバラストが充填され、測定用の目盛りが付いた細いステムが付いています。検査対象の液体は、背の高い容器（メスシリンダーなど）に注ぎ、比重計を液体にゆっくりと沈め、液体が自由に浮くまで待ちます。液体の表面が比重計のステムに接触する点が、相対密度と相関します。比重計のステムには、密度と相関する特性に対応する目盛りがいくつでも付いています。

比重計は、牛乳の密度（クリーミーさ）を測定する乳密度計、液体内の糖の密度を測定する糖度計、または蒸留酒中の高アルコール度数を測定するアルコール度計など、さまざまな用途に合わせて較正されます。

比重計はアルキメデスの原理を利用しています。流体中に浮遊する固体は、浮遊固体の水中部分が押しのけた流体の重量に等しい力によって浮上します。流体の密度が低いほど、同じ重量の比重計はより深く沈みます。軸は数値表示を行うように目盛りが付けられています。

歴史

実用物理学における比重計

比重計の起源は、おそらくギリシャの哲学者アルキメデス（紀元前3世紀）に遡ります。アルキメデスはその原理を用いて様々な液体の密度を測定したと考えられています。[1] [2]比重計に関する初期の記述は、西暦2世紀にレムニウスによって書かれたラテン語の詩に由来し、彼は比重計の使用を、ヒエロ2世の王冠の金含有量を決定するためにアルキメデスが使用した流体置換法と比較しています。[3]

アレクサンドリアのヒュパティア （紀元350年頃- 370年頃、没 415年）は、ギリシャの重要な女性数学者であり、伝統的に比重計と関連づけられている最初の人物です。[3]キレネのシネシウスは、ある手紙の中で、師であるヒュパティアに比重計を作ってほしいと依頼しています。

問題の器具は、フルートの形をした円筒形の管で、ほぼ同じ大きさです。垂直に刻み目が刻まれており、これによって水の重さを測ることができます。先端の片方には、管にぴったりとフィットする円錐状の蓋があります。円錐と管の底部は1つだけで、これはバリリウムと呼ばれます。この管を水に入れると、管は垂直に立ったままになります。こうして、刻み目を数え、水の重さを確かめることができます。[4]

アラビア科学史百科事典によると、 11世紀にアブー・ライハン・アル・ビールーニーが使用し、 12世紀にアル・ハジニーが記述した。 [5] 1612年にガリレオと彼の友人らが再発見し、特にアカデミア・デル・チメントで実験に使用された。[6] 1675年のロバート・ボイル（ 「比重計」という名称を作った人物）の著作にも再び登場し[3] 、 18世紀後半にアントワーヌ・ボーメ（ボーメ目盛）、ウィリアム・ニコルソン、ジャック・アレクサンドル・セザール・シャルルが考案したタイプにも登場し[7] 、ベンジャミン・サイクスが液体のアルコール含有量を自動的に判定できる装置を発見したのとほぼ同時期である。サイクス装置の使用は1818年にイギリスの法律で義務付けられました。[8]

範囲

比重計は、灯油、ガソリン、アルコールなどの低密度液体では深く沈み、塩水、牛乳、酸などの高密度液体では浅く沈みます。通常、密度の高い液体に使用する比重計には、ステムの上部近くに1.000（水）の目盛りがあり、軽い液体に使用する比重計には、下部近くに1.000の目盛りがあります。多くの業界では、遭遇する可能性のある比重の範囲をカバーするために、複数の比重計（1.0～0.95、0.95～）が使用されています

スケール

NASAの作業員が比重計を使って塩蒸発池の塩水密度を測定している

現代の比重計は通常、比重を測定しますが、特定の業界では異なる目盛りが使用されていました（現在でも使用されている場合もあります）。例としては、以下のようなものがあります。

特殊比重計

特殊比重計は、その用途に応じて名前が付けられることがよくあります。例えば、ラクメーターは乳製品に使用するために特別に設計された比重計です。これらは、この特定の名前で呼ばれることもあれば、比重計と呼ばれることもあります

アルコールメーター

アルコールメーターは、本質的にアルコールと水の混合物である液体のアルコール度数を示す比重計です。プルーフ比重計やトラレス比重計（ヨハン・ゲオルク・トラレスにちなんで名付けられましたが、一般的にはtrailleやtralleと誤って綴られます）としても知られています。液体の密度を測定します。砂糖やその他の溶解物質が存在しない場合、水中のエタノール溶液の比重はアルコール濃度と直接相関します。砂糖と水の混合物を測定する糖度計は、水よりも高い密度を測定します。多くの糖度計には、事前に計算された比重に基づいて、「潜在的アルコール」の容量パーセントが目盛りに表示されています。この目盛りで「潜在的アルコール」の値が高ければ、それは溶解した糖または炭水化物ベースの物質の導入によって引き起こされたと考えられる、より大きな比重によるものです。発酵前と発酵後に測定値を取得し、発酵前の測定値から発酵後の測定値を差し引くことで、おおよそのアルコール含有量を決定します。[10]

これらは税金を決定する上で重要な手段であり、特定の製造業者の手段を特定することができました。バーソロミュー・サイクスは英国で独占権を持ち、メアリー・ディカスとその家族は米国でも同様の独占権を享受していました。[11]

ラクトメーター

ラクトメーターは牛乳の純度を確認するために使用されます。牛乳には水より重い物質や軽い物質が含まれているため、比重だけではその組成を決定的に示すことはできません。全体的な組成を決定するには、脂肪含有量の追加検査が必要です。この機器は100分の1単位の目盛りが付いています。牛乳を注ぎ、クリームが形成されるまで放置します。クリームの沈殿の深さ（度）で牛乳の品質を判断します。牛乳サンプルが純粋であれば、ラクトメーターは不純物が混入している場合よりも高い浮力を示します。[12] [13]

糖度計

20世紀の糖度計

糖度計は、溶液中の糖分の量を測定するために使用される比重計の一種で、トーマス・トムソンによって発明されました。[14]主にワインメーカーや醸造業者によって使用され、[15]シャーベットやアイスクリームの製造にも使用されます。 [16]最初の醸造用糖度計はベンジャミン・マーティンによって（蒸留を念頭に置いて）構築され、1770年にジェームズ・ベーバーストック・シニアによって最初に醸造に使用されました。[17]ヘンリー・スレイルがその使用を採用し、後に1784年にジョン・リチャードソンによって普及されました。[18]

糖度計は、大きな重り付きのガラス球と、その上部から伸びる細いステムで構成されており、ステムには目盛りが付いています。液体の液面が目盛りと交差する位置の値を読み取ることで、糖度を判定できます。糖度が高いほど溶液の密度が高くなり、球が浮く高さも高くなります。

熱比重計

熱比重計は、フロート部に温度計が内蔵された比重計です。燃料油などの石油製品の密度を測定する場合、密度は温度に依存するため、試料は通常、温度計を後ろに設置した温度ジャケットで加熱されます。軽質油は、通常15℃の冷却ジャケットに入れられます。揮発成分を多く含む極軽質油は、軽質端の損失を最小限に抑えるために、フローティングピストンサンプリング装置を使用して可変容量容器で測定されます。[19]

バッテリー比重計

鉛蓄電池の充電状態は、電解液として使用される硫酸溶液の密度から推定できます。16℃（60°F）の水に対する比重を読み取るように校正された比重計は、自動車用バッテリーの整備における標準的なツールです。表は、読み取り値を標準温度に補正するために使用されます。比重計は、湿式ニッケルカドミウム電池のメンテナンスにも使用され、電解液が用途に適した強度であることを確認します。この電池の化学的性質では、電解液の比重はバッテリーの充電状態とは関係ありません

温度計付きバッテリー比重計（サーモ比重計）は、温度補正された比重と電解液温度を測定します。

不凍液試験器

比重計の自動車におけるもう一つの用途は、エンジン冷却に使用される不凍液の品質試験です。凍結防止の程度は不凍液の密度（つまり濃度）と関連しており、不凍液の種類によって、測定された密度と凝固点の関係は異なります

酸度計

酸度計、または酸度計は、酸の比重を測定するために使用される比重計です。[20]

バーコメーター

バーコメーターは、革のなめしに使用されるなめし液の強度を試験するために校正されています。[21]

塩分計

塩分計は、船舶用蒸気ボイラーへの給水の塩分濃度を測定するために使用される比重計です

牛乳の密度を測り、脂肪含有量を示す乳糖計

尿計は尿検査用に設計された医療用比重計です。尿の比重は溶質（老廃物）と水の比率によって決まるため、尿計は患者の全体的な水分補給レベルを迅速に評価することを可能にします

  • エンジン冷却液の密度を測定し、その凝固点を表示する不凍液テスター。
    エンジン冷却液の密度を測定し、その凝固点を表示する不凍液テスター。
  • ふるい分析
    牛乳の密度を測り、脂肪含有量を示す乳糖計
  • ストークスの法則
    ストークスの法則
  • 密度計
    密度計

土壌分析での使用

比重計分析は、細粒土、シルト、粘土を分級するプロセスです。比重計分析は、ふるい分けを行うには粒径が小さすぎる場合に行われます。この試験の基礎は、粘性流体中の球体の落下に関するストークスの法則です。この法則では、落下の終端速度は粒径と、懸濁液中の粒子の密度、および流体の密度に依存します。したがって、落下距離と落下時間から粒径を計算できます。比重計は懸濁液の比重（または密度）も測定するため、特定の等価粒径を持つ粒子の割合を計算することができます。[22]

参照

参考文献

  1. ^ Hornsey, Ian S. (2003).ビールと醸造の歴史. ケンブリッジ: 王立化学協会. p. 429. ISBN 978-0-85404-630-0。
  2. ^ ベンディック、ジーン (2011) [1962].アルキメデスと科学の扉. リテラリー・ライセンシングLLC.  63～ 64ページ. ISBN 9781258014889。
  3. ^ abc ベンソード＝ヴィンセント、ベルナデット(2000).ホームズ、フレデリック・L .；レヴェア、トレバー・H.（編）.化学史における機器と実験. マサチューセッツ工科大学出版局. p. 153. ISBN 9780262082822。
  4. ^ フィッツジェラルド、アウグスティヌス (1926). 「手紙15 哲学者（ヒュパティア）へ」.キュレネのシネシウスの手紙. オックスフォード大学出版局. p. 99. hdl :2027/mdp.39015008616180.
  5. ^ ロザンスカヤ, マリアム; レヴィノヴァ, I.S. (1996). 「静力学」. ルシュディ・ラシッド; レジス・モレロン (編).アラビア科学史百科事典 第2巻.ラウトレッジ. pp. 614–642 [ 639 ]. ISBN 978-0-415-12411-92019年3月26日。
  6. ^ 「In-depth Hydrometer」ガリレオ博物館。 2024年1月1日閲覧
  7. ^ ブロンデル、クロード＝ジョセフ (2003)。 「Un enfant illustre de Beaugency : le physicien et aéronaute Jacques Charles (1746-1823)」[ボージャンシーの輝かしい子供：物理学者であり航空飛行士]。Les Publications de l'Académie d'Orléans、農業、科学、芸術と芸術(フランス語) (4)。アカデミー・ドルレアン：37。
  8. ^ デニソン、メリル (1955). 『大麦と小川：モルソン物語』 トロント: マクレランド＆スチュワート社. p. 132.
  9. ^ ディック、ウィリアム・ブリズベン (1975). 「Baum'eの度合い」.ディックの実用レシピとプロセス百科事典. ニューヨーク: ディック・アンド・フィッツジェラルド出版社. ISBN 9780308101579。
  10. ^ ラビン、ダン、フォーゲット、カール (1998). ビールと醸造の辞典. ロンドン: フィッツロイ・ディアボーン. ISBN 97815795807802009年10月11日閲覧。
  11. ^ Morrison-Low, AD (2004年9月23日). 「ディカス（結婚後の姓アースタル）、メアリー（1800～1815年活躍）、科学機器製造者」 .オックスフォード国立人名辞典. 第1巻（オンライン版）. オックスフォード大学出版局. doi :10.1093/ref:odnb/49542. ISBN 978-0-19-861412-8。 （定期購読、Wikipediaライブラリへのアクセス、または英国の公共図書館の会員登録が必要です。）
  12. ^ ガイスラー, ジョセフ・F. (1891). 「ラクトメーター試験の意義」.アメリカ化学会誌. 13 (2): 93– 98. doi :10.1021/ja02124a009. ISSN  0002-7863.
  13. ^ 「ガラス製乳酸計、イギリス、1875-1900年」。サイエンス・ミュージアム・グループ・コレクション。2024年1月1日閲覧。
  14. ^ トムソン、トーマス (1840). アランの糖度計の説明：蒸留業者の使用のために議会法により指定、CD & W. ミラー.
  15. ^ サムブルック、パメラ（1996年）『イングランドのカントリーハウス醸造、1500-1900年』A&Cブラック、ISBN 97818528512792009年10月11日閲覧。
  16. ^ ハネマン、レナード J. (1993)。パティスリー。バターワース＝ハイネマン。ISBN 97807506043072009年10月11日閲覧。
  17. ^ マティアス、ピーター（1959年）『イングランドの醸造産業 1700-1830』大学出版局。 2012年3月16日閲覧
  18. ^ バッド, ロバート; ワーナー, デボラ・ジーン; チャップリン, サイモン; ジョンストン, スティーブン; ピーターソン, ベッツィ・バール (1998). 『科学の道具：歴史百科事典』 ロンドン科学博物館およびスミソニアン協会国立アメリカ歴史博物館. ISBN 97808153156122009年10月11日閲覧。
  19. ^ Béla G. Lipták、Kriszta Venczel編 (2017).計測・自動化エンジニアハンドブック：測定と安全性（第5版）. 米国：Taylor & Francis Group, CRC Press. p. 1314. ISBN 978-1-4987-2764-8。
  20. ^ 「酸度計」。フリーディクショナリー。Farlex。2003年。2010年9月18日閲覧
  21. ^ デイビス、チャールズ・トーマス (1897). 皮革の製造：樹皮、抽出物、クロム、そして一般的に使用されているすべての現代のなめし法を用いたなめしと皮なめしの全工程の説明。HC Baird & co . 2009年10月11日閲覧。バーコメーター。
  22. ^ Fakhry A. Assaad、Philip Elmer LaMoreaux、Travis H. Hughes（編）、Field Methods for Geologists and Hydrogeologists、Springer Science & Business Media、2004 ISBN 3540408827、299ページ

出典

ウィキメディア・コモンズには、比重計に関連するメディアがあります
  • アブー・ライハン・アル＝ビールーニー
  • 比重計の情報
  • 醸造用比重計ガイド
  • ユルジェン・ドライヤー。牛乳検査（Wayback Machineで2012年10月21日にアーカイブ） 。牛乳生産者グループ資料集、国連食糧農業機関
  • 比重計の使い方、ワイン造りのホームページ。
  • 比重計の仕組み、家庭でのワイン醸造テクニック
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