Måling av Planck konstant med LEGO

I nesten 130 år har kilo blitt definert av en liten platina og iridiumsylinder som sitter i et hvelv utenfor Paris. Hver annen måleenhet er definert av reproduserbart fysisk fenomen; Den andre er et nøyaktig antall oscillasjoner av et cesiumatom, og en meter er lengdelyset beveger seg i 1/299792458 av et sekund. Bare kilogrammet er definert av en faktisk gjenstand, til NIST og den internasjonale vektene og trinns internasjonale komité definerer det som en funksjon av Planck Constant. Hvordan måler du Planck Constant? Med en wattbalanse. Hvordan bygger du en wattbalanse? Med LEGO, selvfølgelig.

En wattbalanse ser ut som en dobbel væpnet skala hvor en vekt kan sammenlignes med en annen vekt på kjent masse. I stedet for å bruke to armer har en wattbalanse bare en arm, brakt i balanse med en strøm som strømmer gjennom en spole. Den mekaniske kraften i balansen – forårsaket av hva som er på balanseplaten – kan da sammenlignes med den elektriske kraften, og til slutt Planck konstant. Dette vil snart være en del av den formelle definisjonen av kilo, og ja, en enhet for å måle dette kan gjøres ut av LEGO.

De eneste store ikke-lego-delene i LEGO Watt-balansen er noen få spoler av ledningssår rundt et PVC-rør og noen få neodymmagneter. Disse er plassert på begge deler av balansen, og et par lasere brukes til å sikre at begge balansenes armer er nivå. Data samles ved å måle spolene gjennom noen få analoge pinner på en labjack og en phidet. Når spenningen og strømmen indusert i hver spole måles, kan effekten beregnes, deretter planket konstant, og til slutt hvor nær massen på balansepannen er til et reelt, idealisert kilo. Til tross for å bli laget av LEGO, kan dette systemet måle en grammasse til 1% usikkerhet.

Forfatterne har tatt med en liste over LEGO-deler, hvorav mange kan bli funnet i et stort badekar i Lego i en 8-årig, skap. Det eneste veldig dyre elementet på BOM er en 16-bits USB Daq; Bortsett fra det, er det noe som noen kan bygge.

Takk [Matt] for tipset.