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Cómo medir la constante de Planck usando Lego
La constante de Planck es uno de los números más importantes de la ciencia. Describe la relación entre la energía y la frecuencia de una onda electromagnética en una ecuación conocida como relación de Planck-Einstein: E = hv (donde Y es energía, v es frecuencia y h es la constante de Planck).
Esta constante va a ser aún más importante porque los físicos están a punto de cambiar la definición de masa para que dependa de la constante de Planck en lugar de la masa de un trozo de metal en una bóveda en París.
Por lo tanto, no sorprende que los físicos necesiten varias formas de medir la masa en función de la constante de Planck o, por el contrario, encontrar un valor de la constante de Planck en función de una masa conocida. Hoy, Leon Chao del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland, y algunos amigos, explican cómo hacer esto usando un experimento construido con Lego.
A lo largo de los años, los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han evaluado varias formas diferentes de llevar a cabo esta medición y se han decidido por un experimento utilizando una máquina conocida como balanza de vatios.
Este dispositivo es simple en principio. La idea es equilibrar la fuerza sobre una masa debido a la gravedad con la fuerza generada por una bobina que transporta corriente en un campo magnético. Luego, la masa se puede calcular de manera sencilla comparando la potencia mecánica con la potencia eléctrica involucrada en el experimento (las máquinas obtienen su nombre porque la potencia eléctrica y mecánica se miden en vatios).
El experimento implica mediciones únicamente del voltaje y la corriente a través de la bobina, así como la velocidad de la masa a medida que se mueve a través de la bobina. También requiere un valor exacto para gramo , la aceleración de la gravedad, que se puede leer fácilmente en un sitio web operado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica entrando en cualquier lugar del planeta.
La constante de Planck surge debido a una idiosincrasia histórica en la forma en que se han definido las unidades de poder. Desde 1990, casi todas las mediciones eléctricas se han calibrado utilizando un sistema de unidades en el que la constante de Planck, junto con otras constantes, se definen en lugar de medirse.
Por el contrario, la potencia mecánica se basa en unidades SI ordinarias, que se basan en un valor medido de la constante de Planck. Al comparar la potencia eléctrica en unidades convencionales con la potencia mecánica en unidades SI, h se puede determinar, dicen Chao y compañía.
Todo lo que se necesita es una balanza de vatios que funcione y Chao y compañía describen cómo construir una usando Lego, incluso brindan una lista completa de piezas, muchas de las cuales se pueden pedir a Sitio web Pick-a-Brick de Lego . También dan sitios web para comprar otros componentes más especializados.
El costo total de estas piezas es de $634, pero es posible ahorrar. El componente más caro con diferencia es un dispositivo de adquisición de datos de 300 dólares seguido de una salida analógica de 90 dólares. Chao y compañía dicen que ambos pueden ser reemplazados por un solo dispositivo que cuesta solo $189, lo que significa un ahorro de $200.
Eso pone el costo al alcance de muchas escuelas e incluso de particulares. Esperamos alentar a muchos entusiastas a construir una balanza de vatios LEGO y divertirse jugando con la ciencia de la medición, la metrología, dice el equipo.
Con la temporada navideña a la vuelta de la esquina, muchos lectores pueden encontrarse buscando regalos para sus seres queridos. Un kit de balance de vatios podría ser el regalo perfecto para el físico que lo tiene todo.
Ref: http://arxiv.org/abs/1412.1699 : Una balanza LEGO Watt: un aparato para demostrar la definición de masa basada en el nuevo SI