Balance (instrument)

Une balance, du latin bis (2 fois) et lanx (plateau), est un instrument de mesure qui sert à évaluer des masses. Pour effectuer cette mesure, on utilise des « poids », appellation que l'on emploie dans le langage courant ; en termes scientifiques, on utilise l'appellation « masses marquées ».

Les balances existent depuis l’Antiquité. La balance nécessitant l’utilisation de poids, elle obligea à réglementer le pesage avec le plus grand soin. Les balances ne sont devenues de véritables instruments de précision qu’au XIX^e siècle.

Au XVII^e siècle, l’invention de Roberval révolutionne le pesage. C’est la première fois que l’on a l’idée de poser les plateaux au-dessus du fléau et non plus en dessous. Au XVIII^e siècle, Lavoisier perfectionne la balance et les principes de pesage. Il en généralise l’usage dans les laboratoires, après avoir conçu une balance très sensible. La balance Roberval est perfectionnée par Béranger qui parvient à réduire les forces latérales et les frottements en utilisant des petits fléaux secondaires qui remplacent les tiges de force. Au XX^e siècle, les balances « Roberval » et « Béranger » sont sur tous les comptoirs des commerçants lorsqu'apparaît, à la fin du XIX^e siècle, la «balance automatique» constituée d’un cadran gradué, circulaire ou en forme d’éventail où l’on peut directement lire la masse de l’objet pesé indiqué par une aiguille, et sans avoir à déplacer de poids manuellement. Les dernières évolutions sont dues à l'électronique. Dorénavant les balances électroniques affichent ou impriment directement la masse et bien souvent calculent même le prix correspondant.

Une « bonne » balance doit être juste, sensible, et fidèle.

Le fabricant de balances est un « balancier ».

Sommaire 1 Historique 1.1 Antiquité 1.2 Rome 1.3 Moyen Âge 1.4 XVIe siècle 1.5 XVIIe siècle 1.6 XVIIIe siècle 1.7 XIXe siècle 1.8 XXe siècle 2 La technique 2.1 Le fonctionnement 2.2 Les qualités d'une « bonne » balance à plateaux 2.3 Amélioration des balances à fléau : la double pesée 3 Différents types de balance 3.1 Balance ordinaire 3.2 Balance à fléau 3.3 Trébuchet 3.4 Balance romaine 3.5 Balance à deux fléaux dite balance Roberval 3.6 Balance à pendule 3.7 Balance de changeur 3.8 Peson 3.9 Balance de ménage 3.10 Balance commerciale « semi-automatique » 3.11 Pèse-lettre 3.12 Bascule 3.13 Balance électronique 3.14 Autres types de balance 4 Les poids 4.1 Les poids marqués 4.1.1 Forme et matière 4.1.2 Le marquage du fabricant 4.1.3 Les poinçons de l'État 4.2 Les poids de référence 4.3 Les boîtes de poids 4.3.1 Autre possibilité théorique pour les boîtes de poids 4.4 Les poids monétaires 5 La balance à fléau, allégorie de la justice 6 Voir aussi 6.1 Liens externes 7 Notes et références 7.1 Notes 7.2 Références

Historique

Les balances existent depuis l’Antiquité. La balance nécessitant l’utilisation de poids, elle obligea à réglementer le pesage avec le plus grand soin. Les balances ne sont devenues de véritables instruments de précision qu’au XIX^e siècle.

Antiquité

Dans l’Antiquité, les fonctionnaires vérifiaient la justesse de la pesée des négociants et des commerçants à l’aide d’étalons de mesure. Les premiers étalons, réalisés en cuivre ou en bronze, ont été réalisés en Asie et en Égypte avant l’invention de la monnaie.

Rome

Plusieurs types d’instruments de pesage existaient déjà, les nôtres en sont les descendants. La trutina était utilisée pour les grosses pesées, la moneta pour les petites. La statera est la balance que nous appelons aujourd’hui balance romaine. Elle permet d’utiliser un seul instrument pour effectuer des pesées.

La libra est l’unité de mesure (la livre) et correspond à la masse de la monnaie as, soit environ 327 g. Cette masse se divise en douze onces d’environ 27,29 g.

Moyen Âge

Aucun nouveau type de balance n’apparaît, mais le mot « balance » prend sa place dans la langue française.

À la fin du XII^e siècle, Philippe-Auguste remplace l’unité de « poids » — à l'époque, on ne distinguait pas encore masse et poids — (la livre) par le marc, qui restera l’unité de masse jusqu’en 1795. Le marc sera utilisé dans tous les pays d’Europe, mais malheureusement avec des valeurs différentes de masse. En France le marc se divise en huit onces, l’once en huit gros, le gros en trois deniers, le denier en 24 grains.

XVI^e siècle

C’est la période du développement des boîtes de pesage utilisées pour les petites pesées. Ces petites boîtes en bois, d’environ 15 cm de longueur, contenaient une balance à bras égaux montée sur une colonne démontable, ainsi que ses poids. Très répandues chez les commerçants, elles servaient à vérifier la masse des pièces d’or et d’argent en circulation. Les poids contenus dans ces boîtes étaient appelés « poids monétaires ». Chacun de ces poids était ajusté sur la masse légale d’une monnaie déterminée et souvent à son effigie.

XVII^e siècle

L’invention de Roberval (voir plus bas) révolutionne le pesage. C’est la première fois que l’on a l’idée de poser les plateaux au-dessus du fléau et non plus en dessous.

XVIII^e siècle

Lavoisier perfectionne la balance et les principes de pesage. Il en généralise l’usage dans les laboratoires, après avoir conçu une balance très sensible (au milligramme près).

XIX^e siècle

Le système archaïque des poids et mesures propres à chaque ville ou à chaque région est remis en cause au moment de la Révolution française. Les bienfaits du système métrique, mis en place en France en 1795 et rendu obligatoire le 1^er janvier 1840 accompagné d’un étalon unique pour tout le pays, se répandent dans tous les pays progressivement. Les formes des poids étalons sont par ailleurs réglementées :

• un modèle cylindrique surmonté d’une prise en cuivre ;
• un modèle hexagonal ou rectangulaire en fonte de fer, muni d’un anneau.

Les différents types de balance n’ont pas évolué depuis le XVII^e siècle. Il faudra attendre les améliorations dues à Louis Poinsot en 1821 pour que la balance dite de Roberval se répande très largement. Un arrêté ministériel autorise « l’admission, la vérification et le poinçonnage de la balance Roberval ».

La balance Roberval est perfectionnée par Béranger qui parvient à réduire les forces latérales et les frottements en utilisant des petits fléaux secondaires qui remplacent les tiges de force.

C’est également à cette époque qu’apparaît le pont-bascule qui permet, grâce au « levier compensé » inventé en Angleterre, de réaliser de grosses pesées sans utiliser de gros pesons.

XX^e siècle

Les balances « Roberval » et « Béranger » sont sur tous les comptoirs des commerçants lorsqu'apparaît, à la fin du XIX^e siècle, la «balance automatique» constituée d’un cadran gradué, circulaire ou en forme d’éventail où l’on peut directement lire la masse de l’objet pesé indiqué par une aiguille, et sans avoir à déplacer de poids manuellement.

Les dernières évolutions sont dues à l'électronique. Dorénavant les balances électroniques affichent ou impriment directement la masse et bien souvent calculent même le prix correspondant.

La technique

Le fonctionnement

Il convient tout d'abord de comprendre la distinction entre poids et masse, grandeurs physiques fondamentalement différentes :

• la première est une force, c'est-à-dire une grandeur vectorielle définie par une grandeur scalaire (l'intensité de la force), par une direction (verticale pour le poids), par un sens (vers le centre de la Terre pour le poids) et par un point d'application (le centre de gravité G pour le poids). Une force se mesure en newton ;
• la seconde est une grandeur scalaire définie par un nombre et par sa « dimension » physique. Une masse se mesure en kilogramme

Ces deux grandeurs sont liées par l'équation fondamentale de la dynamique (force = masse x accélération), qui dans le cas de la force-poids, s'écrit : poids = masse x accélération de la pesanteur (P = mg). On voit que la masse est une caractéristique intrinsèque de la matière, alors que le poids correspondant dépend du lieu où la mesure est effectuée, puisque g n'est pas une constante. Ainsi un objet porté sur la lune ne voit pas sa masse changée, mais son poids diminue du fait de la plus faible pesanteur. Au niveau même de la Terre la pesanteur n'est pas rigoureusement constante.

D'un point de vue scientifique, poids et masse ne doivent donc pas être confondus, même si, exprimés par le même nombre, ils peuvent l'être dans le langage courant.

La balance est un instrument de mesure basé sur les lois de la mécanique, elle fonctionne en réalisant l'équilibre entre deux forces qui peuvent être de natures différentes, mais dont au moins l'une est un poids. Il existe de fait deux types de balances :

• type 1 : si les deux forces sont des forces-poids, la balance mesure des masses ; l'accélération de la pesanteur qui agit sur chacune des masses est identique ; en comparant les deux poids, on compare donc les deux masses ;
• type 2 : si l'une des forces n'est pas un poids, mais une force d'un autre type (élastique par exemple), la balance mesure des poids ; on effectue bien la comparaison de deux forces.

Les balances de type 1 sont constituées d'un levier avec lequel on obtient l'équilibre entre les masses, par rapport au point d'appui. Ce sont les balances à deux plateaux, les balances romaines, …

Les balances de type 2 sont constituées d'un levier avec lequel on obtient l'équilibre entre les forces, par rapport au point d'appui. Ce sont les dynamomètres (dont les pesons), les balances pneumatiques, les balances électriques, …

Les qualités d'une « bonne » balance à plateaux

Une « bonne » balance doit être :

• juste, c'est-à-dire qu'elle reste horizontale lorsqu'on place des masses égales dans chacun des deux plateaux ;
• sensible, c'est-à-dire que l'addition d'une masse petite détermine une inclinaison appréciable du fléau ;
• fidèle, c'est-à-dire qu'elle fournit toujours la même indication pour le même objet à peser, quelle que soit la position de cet objet sur l'un des plateaux.

Amélioration des balances à fléau : la double pesée

Si les deux bras d'une balance sont de longueur inégale, la valeur de la pesée dépend du plateau sur lequel on place l'objet à peser. Pour rétablir la bonne valeur, il faut pratiquer une double pesée.

Différents types de balance

Balance ordinaire

La balance ordinaire se compose d'une barre métallique rigide appelée « fléau » traversée en son milieu perpendiculairement à sa longueur par un prisme d'acier appelés « couteau central ». Ce prisme repose par une de ses arêtes sur deux petits plans d'acier fixés à l'extrémité d'une colonne qui, par suite, soutient le fléau. Les deux extrémités du fléau servent à supporter : l'un, le corps à peser, l'autre les masses marquées destinées à faire équilibre au corps.

Balance à fléau

Le principe de fonctionnement de la balance à fléau est le même que celui de la balance ordinaire. la différence vient que dans cette balance, le fléau ne repose pas sur une colonne mais sur une pièce métallique qui permet de suspendre la balance.

Trébuchet

Le trébuchet est un type particulier de balance ordinaire. C'est une balance de précision, utilisée pour peser de faibles quantités de substances. Il était également utilisé pour peser les pièces de monnaies.

Il est à l'origine de l'expression « en espèces sonnantes et trébuchantes ».

Dans ce type de balance, le levier à bras égaux est constitué d'un fléau rigide dont le point d'appui est un couteau central, fabriqué avec un matériau très dur, dont la forme est celle d'un prisme triangulaire et dont une arête repose sur un petit plan horizontal du même matériau. Aux extrémités du fléau, deux autres couteaux équidistants du couteau central supportent 2 petits plans horizontaux auxquels ont été fixés les étriers portant les deux petits plateaux. Les arêtes des trois couteaux doivent être absolument parallèles et coplanaires. Le fléau, sous l'action des forces-poids agissant sur les deux petits plateaux, effectue des oscillations amorties autour de la position d'équilibre. Une aiguille solidaire du fléau permet d'observer, sur une échelle graduée, les oscillations et de déterminer la position d'équilibre.

Les couteaux étant très délicats, on ne leur fait supporter la charge qu'au moment d'effectuer la pesée. Lorsque la balance est en position de repos, un dispositif de blocage actionné manuellement de l'extérieur soulève le couteau central, le sépare du plan d'appui et sépare également les couteaux des plateaux de leur plan d'application.

Balance romaine

L'appellation « romaine » vient de son origine arabe, rommäna (grenade, par analogie de forme entre le contre-poids et le fruit).

Dans cette balance, les deux bras du fléau n'ont pas la même longueur. Le bras du côté de la masse inconnue a une longueur constante alors que la longueur du bras qui supporte le contre-poids est variable. Dans cette balance, on n'obtient pas l'équilibre en égalisant les deux masses, mais en agissant sur la longueur du bras qui porte le contre-poids. L'équilibre se fait lorsqu'en déplaçant ce contre-poids le long de sa tige, le fléau atteint la position horizontale. Le bras le plus long porte des divisions avec indication des masses correspondantes. Il suffit alors de lire la masse de l'objet.

Dans les balances romaines portables, il existe deux points d'accroche séparés, donnant accès, après retournement de l'appareil, à deux échelles différentes, afin de privilégier la précision ou la pesée de masses plus importantes.

La différence de longueur entre les bras permet de peser des charges beaucoup plus importantes que celle du contre-poids.

On peut aussi noter que la mesure des masses ne dépend pas du champ de pesanteur.

De nos jours, la balance romaine est encore souvent utilisée comme pèse-bébé, comme balance de ménage, et parfois comme pèse-personne. Lorsqu'ils sont en bon état et bien réglés, ces instruments ont une bonne précision.

Balance à deux fléaux dite balance Roberval

Cette balance doit son nom à son inventeur Gilles Personne, mathématicien et physicien français, connu sous le nom de Roberval, car il était originaire de Roberval dans l'Oise. Gilles Personne eut l'ingénieuse idée de placer les plateaux au-dessus du fléau, alors que depuis des millénaires^{[Note 1]}, ils étaient placés en dessous du fléau (voir à ce sujet le dossier rédigé par l'Université de technologie de Compiègne^[1]).

La balance Roberval comprend un fléau à trois couteaux, dont les deux extrémités supportent les 2 plateaux découverts. Les déplacements des plateaux sont guidés par des tiges verticales liées à un contre-fléau. L'ensemble fléau, contre-fléau, tiges verticales, constitue un parallélogramme articulé. Lorsque les deux bras du fléau sont égaux, des masses égales placées sur les deux plateaux sont en équilibre.

De façon à améliorer la sensibilité des balances à plateaux, les fléaux et les couteaux sont dimensionnés en fonction de la capacité maximale de la balance. C'est pourquoi la capacité maximale est clairement indiquée sur chaque balance^{[Note 2]}.

Balance à pendule

Un modèle particulier de ce type de balance est la balance « Béranger » (du nom de son fabricant Joseph Béranger^{[Note 3]}).

En Belgique de nos jours, l'arrêté royal du 9 septembre 1975 a précisé que deux types de balance étaient dispensés de l'approbation de modèle : « Roberval » et « Béranger ».

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  Grande balance de type « Béranger »

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  Petite balance de type « Béranger » de capacité maximale 1 kg

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  Balance Béranger, Établissements de la Mulatière

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Balance de changeur

Cette balance est une petite balance à fléau qui était utilisée au XVIII^e siècle par les changeurs pour peser les pièces de monnaie.

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  La boîte de la balance du changeur

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  La balance du changeur et ses masses

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  La balance du changeur

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Peson

Le peson est constitué d'un ressort dont on mesure l'allongement grâce à une réglette se déplaçant sur une échelle graduée.

Les mesures données sont des forces, et n'indiquent la masse que dans un champ de pesanteur donné.

Ces appareils, également soumis à erreurs en cas d'allongement irréversible du ressort, sont interdits pour les transactions commerciales.

Ce même principe est utilisé dans de nombreux pèse-personnes mécaniques.

Balance de ménage

Ce modèle de balance a été très utilisé au milieu du XX^e siècle.

Il s'agit d'une variante de la balance romaine.

En tôle d'acier laquée, avec un plateau chromé, cette balance fonctionne avec deux masses coulissant sur deux réglettes graduées, l'une pour les kilogrammes, l'autre pour les grammes.

Ce modèle de balance était également utilisé comme pèse-bébé, après avoir remplacé le plateau par un repose-bébé, constitué de deux supports en matière plastique et d'une alèse en vinyle blanc opaque.

Balance commerciale « semi-automatique »

Pèse-lettre

Un pèse-lettre est une balance qui sert a peser une lettre, et plus généralement un envoi postal.

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  Pèse-lettre électronique

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  Pèse-lettre bilatéral

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  Pèse-lettre moderne

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Bascule

La bascule est, comme la balance romaine, une balance à bras inégaux. La charge est disposée sur un plan d'appui agissant sur un bras de levier court. L'équilibre est réalisé en disposant des masses connues sur le plateau situé à l'extrémité du bras libre qui est plus long. Suivant le rapport entre les longueurs des deux bras, le rapport entre la masse connue et la charge que l'on pèse peut aller jusque 1 à 100.

Balance électronique

Le principe de fonctionnement de ces balances repose sur les variations des caractéristiques électriques de certains matériaux lorsqu'ils sont soumis à des compressions mécaniques. Ces variations électriques sont mesurées et envoyées à un cadran qui permet de donner une indication sur la masse de la charge inconnue qui a comprimé le matériau.

Selon la plus petite masse qu'elles peuvent mesurer, les balances électroniques sont classées en fonction de la plus petite division et de la capacité typique :

• Balance analytique :
  • Ultramicroanalytique (0,1 μg / 3 g)
  • Microanalytique (0,001 mg / 3 g)
  • Semimicroanalytique (0,01 mg / 30 g)
  • Macroanalytique (0,1 mg / 160 g)
• Balance de Précision (1 mg / 160 g - 60 kg)

Autres types de balance

• Pèse-personne et pèse-bébé
• Thermobalance
• Balance hydrostatique
• Balance à œuf
• Balance à grains
• Pont-bascule
• Système de pesée en marche (SPM).

Les poids

Les poids marqués

En termes scientifiques, on les appelle « masses marquées ». On utilise également les termes de « poids de référence » et « boîte de poids ».

Forme et matière

La forme des poids varie de même que la matière employée pour leur fabrication. La fonte, le cuivre, le laiton sont les métaux les plus fréquemment employés.

Les poids en fonte ont une forme de pyramide tronquée quadrangulaire pour les poids de plus de 10 kg, et une forme de pyramide tronquée hexagonale pour les poids de 10 kg à 50 g.

Les poids en cuivre sont cylindriques et surmontés d'un bouton pour les saisir. Ils peuvent être en forme de godets s'emboîtant les uns dans les autres. C'est ce que l'on appelle la « pile de Charlemagne » (pour plus d'informations, voir ci-dessous le lien externe).

Pour les pesées de petites quantités de substance, les divisions du gramme (½ gramme à ½ milligramme) sont de petites lamelles, généralement en aluminium, dont un coin est plié pour faciliter la saisie.

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  Poids de 5 kg et boîte de 3 poids : 2 fois 1 kg et 1 fois 2 kg

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  Jeu complet de poids en fonte (de 10 kg à 50 g)

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  Pile d'une livre

• 

  Jeu complet de lamelles

• 

  Boîte de poids

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Le marquage du fabricant

Les fabricants, maîtres balanciers, sont habilités à marquer leurs poids d'un poinçon permettant de les identifier. Ce poinçon est généralement constitué de trois lettres ou d'un sigle.^{[réf. nécessaire]}

Les poinçons de l'État

Un service de l'État (jadis nommé « Service des poids et mesures »^{[Note 4]}) vérifie l'exactitude des balances et poids utilisés dans le commerce. Au moment de la création de la balance ou du poids, lors de la vérification « primitive », un poinçon est porté sur l'objet. Ce poinçon est actuellement constitué de deux mains entrelacées, il est appelé « marque à la bonne foi »^{[Note 5]}).

Par ailleurs, ce service effectue des vérifications chaque année et, lors de cette vérification « périodique », porte sur l'objet un poinçon constitué d'une lettre. Cette lettre change chaque année. De nos jours, ce poinçon est remplacé par une vignette verte indiquant la date de validité du contrôle.

Les poids de référence

Les poids de référence servent de référence pour peser les autres poids. La précision des poids de référence est fonction de l'indication qui se trouve sur le poids. Par exemple, pour un poids de 1 kg, la valeur exacte est de :

• 1 kg à 0,5 mg près pour l'indication E1
• 1 kg à 1,5 mg près pour l'indication E2
• 1 kg à 5 mg près pour l'indication F1
• 1 kg à 15 mg près pour l'indication F2
• 1 kg à 50 mg près pour l'indication M1
• 1 kg à 150 mg près pour l'indication M2

Les boîtes de poids

Sur une balance à deux plateaux, pour équilibrer un objet au gramme près, il faut pouvoir mettre sur le plateau opposé la masse correspondante. Pour cela, on utilise des boîtes de poids :

• boîte de 7 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g) pour peser jusqu'à 50 g
• boîte de 8 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g) pour peser jusqu'à 100 g
• boîte de 9 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 100 g) pour peser jusqu'à 200 g
• boîte de 10 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 2 fois 100 g) pour peser jusqu'à 300 g
• boîte de 11 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 2 fois 100 g, 200 g) pour peser jusqu'à 500 g
• boîte de 12 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 2 fois 100 g, 200 g, 500 g) pour peser jusqu'à 1 kg
• boîte de 13 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 2 fois 100 g, 200 g, 500 g, 1 kg) pour peser jusqu'à 2 kg
• boîte de 14 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 2 fois 100 g, 200 g, 500 g, 2 fois 1 kg) pour peser jusqu'à 3 kg
• boîte de 15 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 2 fois 100 g, 200 g, 500 g, 2 fois 1 kg, 2 kg) pour peser jusqu'à 5 kg
• boîte de 16 poids (1 g, 2 fois 2 g, 5 g, 2 fois 10 g, 20 g, 50 g, 2 fois 100 g, 200 g, 500 g, 2 fois 1 kg, 1 fois 2 kg, 1 fois 5 kg) pour peser jusqu'à 10 kg

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Autre possibilité théorique pour les boîtes de poids

Dans le cas d'une balance à deux plateaux, il existe une autre méthode, permettant de peser n'importe quelle masse avec le moins de poids possible : celle des puissances de 3.

Dans ce système, on doit disposer de poids représentant les puissances de 3 : 1, 3, 9, 27, etc.

En disposant certains poids sur le même plateau que la masse à peser, et d'autres sur l'autre plateau, on peut obtenir tous les poids (exemple : 2=3-1, 4=3+1, 5=9-3-1, etc.).

La complexité d'utilisation de ce système fait qu'on n'en connaît pas d'application concrète.

Les poids monétaires

La balance à fléau, allégorie de la justice

La balance à fléau est une allégorie fréquemment utilisée pour représenter la justice. On la voit apparaître en Égypte antique ou l'on représente Anubis jugeant l'âme des morts en comparant le poids du cœur avec celui d'une plume. Puis, elle apparaît dans l'art religieux chrétien, la justice étant une des quatre vertus cardinales. Dans de nombreux pays, y compris laïques, on représente la justice comme une femme aveugle faisant pencher le fléau d'un côté avec son glaive.

Voir aussi

Liens externes

Histoire

• L'histoire de la balancerie à travers les âges
• L'évolution du pesage : un peu d'histoire
• L'histoire du pesage »
• La « Pile de Charlemagne »

Collection de balances

Le collectionneur de balances est un « métrolophile »^[2].

Notes et références

Notes

Références

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