Come misurare la costante di Planck usando i Lego

La costante di Planck è uno dei numeri più importanti della scienza. Descrive la relazione tra l'energia e la frequenza di un'onda elettromagnetica in un'equazione nota come relazione di Planck-Einstein: E = hv (dove E è energia, v è frequenza e h è la costante di Planck).

Questa costante è destinata a diventare ancora più importante perché i fisici stanno per cambiare la definizione di massa in modo che dipenda dalla costante di Planck piuttosto che dalla massa di un pezzo di metallo in un caveau a Parigi.

Quindi non sorprende che i fisici abbiano bisogno di vari modi per misurare la massa in base alla costante di Planck o, al contrario, trovare un valore della costante di Planck in base a una massa nota. Oggi, Leon Chao del National Institute of Standards and Technology di Gaithersburg, nel Maryland, e alcuni amici, spiegano come farlo usando un esperimento costruito con i Lego.

Nel corso degli anni, i fisici del National Institute of Standards and Technology hanno valutato diversi modi per eseguire questa misurazione e hanno optato per un esperimento utilizzando una macchina nota come bilanciamento dei watt.

Questo dispositivo è semplice in linea di principio. L'idea è di bilanciare la forza su una massa dovuta alla gravità con la forza generata da una bobina che trasporta corrente in un campo magnetico. La massa può quindi essere calcolata in modo semplice confrontando la potenza meccanica con la potenza elettrica coinvolta nell'esperimento (le macchine prendono il nome perché la potenza elettrica e meccanica sono entrambe misurate in watt).

L'esperimento prevede misurazioni solo della tensione e della corrente attraverso la bobina, nonché della velocità della massa mentre si muove attraverso la bobina. Richiede anche un valore accurato per G , l'accelerazione di gravità, che può essere facilmente letta a sito web gestito dalla National Oceanic and Atmospheric Administration inserendo qualsiasi luogo del pianeta.

La costante di Planck arriva a causa di un'idiosincrasia storica nel modo in cui sono state definite le unità di potenza. Dal 1990, quasi tutte le misurazioni elettriche sono state calibrate utilizzando un sistema di unità in cui la costante di Planck, insieme a varie altre costanti, è definita anziché misurata.

Al contrario, la potenza meccanica si basa su unità SI ordinarie, che si basano su un valore misurato della costante di Planck. Confrontando la potenza elettrica nelle unità convenzionali con la potenza meccanica nelle unità SI, h può essere determinato, dicono Chao e co.

Tutto ciò che serve è un bilanciamento dei watt funzionante e Chao e compagni descrivono come costruirne uno usando i Lego, fornendo anche un elenco completo delle parti, molte delle quali possono essere ordinate da Il sito web Pick-a-Brick di Lego . Forniscono anche siti Web per l'acquisto di altri componenti più specializzati.

Il costo totale di queste parti è di $ 634, ma è possibile risparmiare. Il componente di gran lunga più costoso è un dispositivo di acquisizione dati da $ 300 seguito da un'uscita analogica da $ 90. Chao e co affermano che entrambi possono essere sostituiti da un singolo dispositivo che costa solo $ 189, risparmiando così $ 200.

Ciò rende il costo alla portata di molte scuole e persino di privati. Speriamo di incoraggiare molti appassionati a costruire un LEGO watt bilancia e divertirsi a giocare con la scienza della misurazione, la metrologia, afferma il team.

Con le festività natalizie alle porte, molti lettori potrebbero trovarsi a caccia di regali per altri significativi. Un kit di bilanciamento dei watt potrebbe essere il regalo perfetto per il fisico che ha tutto.

Rif: http://arxiv.org/abs/1412.1699 : A LEGO Watt Balance: un apparato per dimostrare la definizione di massa basata sul nuovo SI

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