તુલા (balance) : પદાર્થનું વજન કરવા અથવા બે પદાર્થોનાં દ્રવ્યમાન સરખાવવા માટે વપરાતું સાધન. સરખી દાંડીવાળી તુલાનો પ્રથમ ઉપયોગ ઈ. સ. પૂર્વે 5000માં ઇજિપ્તના લોકોએ કરેલો. જૂના વખતની તુલામાં દાંડીની મધ્યમાં આધારબિંદુ (fulcrum) રાખવામાં આવતું જ્યારે બન્ને છેડે પદાર્થ તથા વજન મૂકવા માટેનાં સરખા વજનનાં પલ્લાં દોરીથી લટકાવવામાં આવતાં. જિસસ ક્રાઇસ્ટના વખતમાં રોમન લોકોએ કેન્દ્રીય દિગ્માન (bearing) માટે દાંડીની મધ્યમાં પિનનો ઉપયોગ કરી આ તુલામાં સુધારાવધારા કર્યા. અઢારમી સદીમાં ક્ષુરધાર(knife-edge)ની શોધ પછી આધુનિક પ્રકારની તુલા બનાવવાની શરૂઆત થઈ તેમ કહેવાય. ઓગણીસમી સદીના અંત સુધીમાં યુરોપમાં જે તુલા બનવા માંડી તે દુનિયામાં આવાં ઉપકરણોમાં સૌથી વધુ ચોકસાઈ ધરાવતી હોય તેવી હતી. તુલા એક સામાન્ય ઉચ્ચાલન છે, જેમાં દાંડીની બે ભુજાઓને આધારબિંદુથી સરખે અંતરે સરખાં બળો લગાડવામાં આવે છે. તે આકૃતિ 1માં બતાવવામાં આવેલું છે :
આકૃતિ 1 : પૃથક્કરણીય તુલા
તેમાં એક ર્દઢ (rigid) બીમ હોય છે. તે આધારબિંદુ તરીકે કાર્ય કરતી કેન્દ્રમાં આવેલ સમક્ષિતિજ ક્ષુરધાર પર આંદોલન કરે છે. આધારબિંદુથી ગુરુત્વમધ્યબિંદુ સહેજ નીચું હોય છે. દાંડીના બન્ને છેડે સમાંતર અને કેન્દ્રમાંથી એકસરખા અંતરે બે ક્ષુરધાર રાખેલ હોય છે. દાંડીના બન્ને છેડે આવેલ ક્ષુરધાર પર બે પલ્લાં (જમણું અને ડાબું) લટકાવવામાં આવેલાં હોય છે. બન્ને પલ્લાંઓને આધાર પર ગોઠવવામાં આવેલાં હોય છે. દાંડીના કેન્દ્રમાંથી એક લાંબો દર્શક (pointer) રાખવામાં આવેલો હોય છે. જ્યારે દાંડીના ઉપરના ભાગમાં રાઇડર માપક્રમ હોય છે. દાંડીના બન્ને છેડે એક એક ચાકીવાળો સ્ક્રૂ લગાડેલ હોય છે. ચાકી આગળપાછળ કરીને બન્ને બાજુ પરનાં પલ્લાં એકસરખા વજનનાં કરી શકાય છે. તુલાને કાચની કૅબિનમાં રાખવામાં આવે છે, કૅબિનની નીચેના ભાગમાં સમતલન-સ્ક્રૂ રાખવામાં આવેલા હોય છે. તુલા બરાબર સમતલમાં છે કે નહીં તે માટે બીમના કેન્દ્રની બાજુમાંથી ઓળંબો લટકાવવામાં આવેલો હોય છે. લેવલિંગ-સ્ક્રૂની મદદથી તુલાને સમતલ કરવામાં આવે છે. તુલાની વધુમાં વધુ સંવેદનશીલતા (sensitivity) મેળવવા તેમાં નીચેનાં લક્ષણો જરૂરી છે :
(1) બીમની ભુજાઓ લાંબી છતાં ર્દઢ અને વજનમાં હલકી હોવી જોઈએ. (2) આધારબિંદુથી ગુરુત્વકેન્દ્ર બહુ નીચું ન હોવું જોઈએ. (3) સારા ક્ષુરધાર વાપરી ઘર્ષણ શક્ય તેટલું ઓછું કરવું જોઈએ. (4) દર્શક જેટલો બને તેટલો લાંબો હોવો જોઈએ. જ્યારે તુલાની સંવેદનશીલતા ઊંચી રાખવામાં આવે ત્યારે દાંડી અને તેની સાથેનો દર્શક ઘણા લાંબા સમય સુધી આંદોલન પામ્યા કરે છે. અને દર્શક શૂન્ય સ્થાને જલદી આવતો નથી. વધુ ઝડપી વાંચન માટે આધારબિંદુથી ગુરુત્વમધ્યબિંદુ વધુ નીચે લઈ જવું પડે, પણ તેથી તુલાની સંવેદનશીલતામાં ઘટાડો થાય છે. તુલાની દાંડીનાં આંદોલનો ઓછાં કરવા અવમંદન પ્રયુક્તિ(damping mechanism)નો ઉપયોગ કરવો પડે. તે માટે કાં તો વીજચુંબકીય પ્રણાલી અથવા હવા-અવમંદન (air–damping) પ્રણાલીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ પ્રકારની તુલાથી પદાર્થનું વજન કરવા બે પદ્ધતિઓ અપનાવવામાં આવે છે.
પ્રત્યક્ષ પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિમાં વજન કરવાની વસ્તુને એક પલ્લામાં મૂકવામાં આવે છે અને બીજા પલ્લામાં બાટ મૂકવામાં આવે છે. જ્યારે તુલા સમતોલન પામે અને દર્શક શૂન્ય પર સ્થિર થાય અથવા બન્ને બાજુ દર્શકનાં આંદોલનો સ્કેલ પર એકસરખા આંક બતાવે ત્યારે પદાર્થનું વજન થઈ ગયું ગણાય. આ પ્રકારની તુલામાં આધારબિંદુની બન્ને બાજુના બીમની ભુજાઓમાં લાખ ભાગમાં એક ભાગનો પણ તફાવત હોવો જોઈએ નહીં, જેથી પ્રત્યક્ષ પદ્ધતિથી પદાર્થના વજનમાં એક લક્ષાંશ જેટલો પણ તફાવત આવે નહીં. આ ઉપરાંત રાઇડરનો ઉપયોગ કરી અથવા તો દાંડી ઉપરથી લટકાવેલી સોનાની સાંકળનો ઉપયોગ કરી પદાર્થનું ચોક્કસ વજન કરી શકાય. સારા પ્રકારની તુલા વડે 1 કિગ્રા. વજન તોલતી વખતે 100,000,000 ભાગે 1 ભાગની પરિશુદ્ધિ (precision) મેળવી શકાય છે.
વિસ્થાપનની પદ્ધતિ : જ્યારે તુલાની બે ભુજાઓની લંબાઈમાં થોડો તફાવત હોય ત્યારે આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે. આ માટે વજન કરવાની બે પદ્ધતિઓ છે. એક પદ્ધતિમાં તુલાની ભુજાઓના તફાવતને લીધે અથવા પલ્લાનાં વજનના તફાવતને લીધે દાંડી સમતોલનમાં સીધી રહેતી ન હોય ત્યારે જે બાજુની દાંડી ઊંચી જતી હોય તેમાં જોઈતા પ્રમાણમાં સામાન્ય વસ્તુઓ જેવી કે દાણા, મીઠું, લોખંડના ખીલા વગેરે મૂકી દાંડી સમતોલનમાં લાવવામાં આવે છે. ધડો કરવામાં આવે છે. પછી એક પલ્લામાં જેનું વજન કરવાનું હોય તેને મૂકી સામેના પલ્લામાં બાટ મૂકી તુલાને સમતોલનમાં લાવી વજન કરી શકાય છે.
બીજી રીતમાં જેનું વજન કરવાનું હોય તે પદાર્થને એક પલ્લામાં મૂકી સામેના પલ્લામાં ઉપર કહેલી વસ્તુઓ મૂકી તુલાને સમતોલનમાં લાવવામાં આવે છે. હવે વજન કરવાનું હોય તે પદાર્થને ઉઠાવી લઈ તેની જગાએ તે જ પલ્લામાં બાટ મૂકી ફરીથી તુલાને સમતોલનમાં લાવવામાં આવે છે. પદાર્થની જગાએ બાટ (તે જ પલ્લામાં અથવા તે જ દાંડીવાળા ભાગમાં) મૂકવામાં આવ્યાં હોવાથી તુલા સમતોલનમાં આવે ત્યારે પદાર્થનું વજન મળે છે. આ બન્ને રીતોમાં દાંડીની લંબાઈના ફેરફારને લીધે આવતી ભૂલ દૂર થાય છે.
તુલાની સંવેદનશીલતા અથવા સૂક્ષ્મ ગ્રાહિતા (sensitivity) પર હવાની ઉત્પ્લાવકતા (air buoyancy), હવાનો પ્રવાહ, ગરમી, વાતાવરણમાં ભેજનું પ્રમાણ, ચુંબકીય ક્ષેત્ર, તુલા જેના પર મૂકેલી હોય તે ભાગનું કંપન વગેરેની અસર થાય છે. વળી પલ્લાની રોધકતા (arrestment), વિમોચન (release) અને દોલનની પણ સંવેદનશીલતા ઉપર અસર થતી હોવાથી તુલા એવી જગાએ રાખવામાં આવે છે કે જ્યાં કંપનો ન થતાં હોય (અથવા ન્યૂનતમ હોય) અને ઓરડો એકસરખું વાતાવરણ ધરાવતો હોય.
તુલાનું વર્ગીકરણ : તુલાનું વર્ગીકરણ તેની ડિઝાઇન, વજન કરવા વપરાતી પદ્ધતિ અને સિદ્ધાંત પર આધાર રાખે છે. વજન કરવાની તેની ક્ષમતા ઉપર આધારિત તુલાના કેટલાક પ્રકાર નીચે પ્રમાણે છે :
સારણી 1
| પ્રકાર | આંક | મહત્તમ ક્ષમતા |
| અતિસૂક્ષ્મ પૃથક્કરણીય
(ultramicroanalytical) |
0.1 μ ગ્રા. | 3 ગ્રા. |
| સૂક્ષ્મ પૃથક્કરણીય
(microanalytical) |
1 μ ગ્રા. | 3 ગ્રા. |
| અર્ધસૂક્ષ્મ પૃથક્કરણીય
(semimicroanalytical) |
0.01 મિ.ગ્રા. | 30 ગ્રા. |
| પૃથક્કરણીય
(analytical) |
0.1 મિ.ગ્રા. | 160 ગ્રા. |
| સાદું | ≥ 1 મિ.ગ્રા. | 160 ગ્રા. 60 કિ.ગ્રા |
શીર્ષ–ભારિત તુલા (top loading balance) : આ પ્રકારની તુલાઓ પણ આગળ જણાવેલ ઉચ્ચાલનના સિદ્ધાંત પર આધારિત છે. તેમાંના ભાગો તેમજ સંસ્કરણો (refinements) પણ તે જ પ્રકારનાં છે. તેનાં પલ્લાં રોબરવાલ (Roberval) ઉચ્ચાલન જોડાણો ધરાવે છે, જેથી બન્ને બાજુનાં પલ્લાં ઊંચાંનીચાં થાય ત્યારે ક્ષૈતિજ (horizontal) અવસ્થામાં રહે છે. આ પ્રકારની તુલાઓ ઊંચી અને પહોળી વસ્તુઓનાં વજન કરવા માટે વધુ સુગમ છે. તે આકૃતિ 2 માં બતાવેલ છે.
આકૃતિ 2 : શીર્ષ-ભારિત સમભુજ તુલા
એક પલ્લાવાળી વિસ્થાપન–તુલા : ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી જીન ચાર્લ્સ દ બોર્ડા(1733–1799)એ આ પ્રકારની તુલા પ્રથમ વર્ણવેલી. 1946માં આ પ્રકારની તુલાનું સૌપ્રથમ ઉત્પાદન એરહાર્ડ મેટલરે શરૂ કર્યું. આ પ્રકારની તુલા આકૃતિ 3માં બતાવવામાં આવેલી છે :
તેમાં વસ્તુને મૂકવા એક જ પલ્લું ઉપરથી લટકાવવામાં આવેલું હોય છે. સાથે સાથે ધારક ઘોડા (holding racks) પર જાણીતા વજનનો સેટ લગાડેલો હોય છે. લટકતા વજનને પ્રતિભાર (counterpoise) વડે સંતુલિત કરેલ હોય છે. પદાર્થનું વજન કરતી વખતે ધારક ઘોડામાંથી વજનો ઊંચકીને તુલા કયાં બે વજનો વચ્ચે સંતુલિત થાય છે તે ડાયલ ઉપર દેખાતા આંકડા વડે નક્કી કરવામાં આવે છે. ડાયલ ઉપરના આ બે આંકડા વચ્ચેનાં વજનો પૈકી ઓછું વજન ઉઠાવેલું રાખી બાકીનું વજન તુલાની દાંડી સાથે જોડાયેલા અંશાંકિત પ્રકાશિક રેટિકલ(graduated optical reticle)ના પડદા ઉપર પડતા પ્રતિબિંબ (projected screen image) ઉપરથી નક્કી કરવામાં આવે છે. આ પ્રકારની તુલાઓમાં શીર્ષ-ભારિત તુલા પણ ઉપલબ્ધ છે. આવી તુલાઓના સારણી 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણેના પ્રકાર હોય છે. ઇલેક્ટ્રૉનિક તુલાઓની શોધ પછી હવે આ પ્રકારની તુલાઓનો ઉપયોગ ઓછો થયો છે.
આકૃતિ 3 : વિસ્થાપન-તુલા મેકોગ્રો V.2 P. 373
(1) વિસ્થાપન-વજનો, (2) અંતિમ કીલક, (3) દાંડી, (4) પ્રકાશીય પ્રક્ષેપણનો પ્રકાશપથ, (5) પ્રકાશસ્રોત, (6) કાચના રેટિકલ ઉપરનો અંકિત માપક્રમ, (7) દર્પણ, (8) હવા-પ્રઘાતરોધક અવમંદક, (9) પ્રતિભાર, (10) વજન-ડાયલિંગ દટ્ટા, (11) વિભેદક વજન પરાસ(range) માટેનો પ્રક્ષેપણ-પડદો, (12) રોધકતા-લીવર
ઇલેક્ટ્રૉનિક તુલાઓ (electronic balances) : 1960 પછી આ તુલાઓ વપરાશમાં આવી. તેમાં કેટલાક દાયકાની ઇલેક્ટ્રૉનિક ટૅક્નૉલૉજીનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. 1895માં કે. એન્ગસ્ટ્રોમે વિદ્યુત-ચુંબકીય બળ ક્ષતિપૂર્તિ(compensation)નું પહેલવહેલાં વર્ણન કરેલું અને ઘન અવસ્થા ઉપકરણો(solid state equipments)ની પ્રગતિની સાથે આ પ્રકારની તુલાનું નિર્માણ થયું. તેના ઉપયોગમાં ઘણી સુગમતાઓ છે; દા. ત., શૂન્ય આંક લાવવા દાબ-બટનનો ઉપયોગ, સ્વયં અંશાંકન (automatic calibration), અંત:નિર્મિત પરિકલનક્ષમતા (builtin computing capabilities) અને પ્રિન્ટર અને કમ્પ્યૂટરમાં આંકડાઓનો નિર્ગમ (data output).
દરેક વિદ્યુતયાંત્રિકીય (electromechanical) વજનપ્રણાલીમાં પાયાનાં ત્રણ કાર્યો હોય છે : (i) વજન સ્થાનાંતર ક્રિયાવિધિ કે જે વજન કરવાનું પ્લૅટફૉર્મ અથવા પલ્લું, ઉચ્ચાલનો (levers) અને નિર્દેશકોનું બનેલું હોય છે. પલ્લા ઉપર મુકાયેલાં વજનો યર્દચ્છ રીતે વહેંચાયેલ બળક્રિયા (force action) P રૂપે તે લે છે અને તેને માપી શકાય તેવા એક બળ(F)માં પરિવર્તિત કરે છે. (ii) વિદ્યુતયાંત્રિકીય બળ-પારક્રમક (electromechanical force transducer) અથવા વજનકોષ કે જે યાંત્રિક નિવિષ્ટ બળ(mechanical input force)ને વિદ્યુતીય (electrical) નિર્ગત(output)માં [દા. ત., વોલ્ટેજ (v), વીજપ્રવાહ (I) અથવા આવૃત્તિમાં] ફેરવે છે. (iii) ઇલેક્ટ્રૉનિક સંકેત-પ્રકમણ(signal processing)-ભાગ કે જે વજનકોષના નિર્ગત સંકેતને આંકડાઓમાં ફેરવે છે અને ગણતરી કરીને વાચ્ય-પડદા (readout) ઉપર અંતિમ વજન તરીકે દર્શાવે છે (આકૃતિ 4).
આ પ્રકારની તુલામાં પાંચ પાયારૂપ ગણતરી (computation) થાય છે. (1) ધડાની બાદબાકી આપોઆપ થઈ જાય છે. (2) સ્વયં શૂન્ય ક્ષતિનિવારણ થાય છે. (3) તુલામાં કંપન ગાળક(vibration filter)ને લીધે તેના પર બહારનાં કંપનોની અસર થતી નથી. (4) સ્થિરતા-પરખ (stability detector); જ્યારે એક જ પદાર્થનું વજન જુદું જુદું આપે ત્યારે પ્રકાશીય સંકેતથી તેની ચેતવણી મળે છે અને (5) તુલા સ્વયં અંશાકનયુક્ત છે.
આકૃતિ 4 : ઇલેક્ટ્રૉનિક તુલાસંરચના અને સ્થાનાંતર ક્રિયાવિધિ
ક્વાર્ટ્ઝ મરોડ (torsion) તુલાઓ : આ પ્રકારની તુલામાં ક્વાર્ટ્ઝના તંતુને બળ-આઘૂર્ણ (torque) લગાડી વજનને સમતોલ કરી તેનું વજન કરવામાં આવે છે. જૂના વખતમાં અતિ સૂક્ષ્મ વજન માટેની તુલાઓ આ સિદ્ધાંત પર રચવામાં આવેલી. પારરક્ત ભેજ તુલાઓ (infra red moisture balance) પણ આ સિદ્ધાંત પર કાર્ય કરે છે.
દરેક વૈજ્ઞાનિક માપનોની માફક વજનોનાં માપ, નિરપેક્ષ રીતે ચોક્કસ ગણવાં જોઈએ નહીં. તેમાં સ્થિતિ પ્રમાણે ક્ષતિનિવારણની જરૂર પડે છે.
પ્રવીણસાગર સત્યપંથી