قياس ثابت بلانك باستخدام الليغو

*ترجمة: سعاد السقاف

 

إذا كنت تبحث عن هدية لفيزيائي لديه كل شيء, ما رأيك بمجموعة ليغو لقياس أحد الثوابت الأساسية في الكون؟!

 

ثابت بلانك هو أحد الثوابت الأساية والمهمة في العلوم. فهو يصف العلاقة بين الطاقة والتردد للموجات الكهرومغناطيسية في المعادلة المشهورة بمعادلة بلانك-اينشتاين

E=hf  (حيث E  هي الطاقة ، f التردد وh هو ثابت بلانك)

وقد تم تعيين هذا الثابت ليصبح أكثر أهمية لعلماء الفيزياء حيث أنهم بصدد تغيير تعريف الكتلة لتعتمد على ثابت بدلا من أن تعتمد على كتلة قطعة معدنية تقبع في قبو في باريس!

لذلك ليس من المستغرب أن الفيزيائيين بحاجة إلى طرق مختلفة لقياس الكتلة استنادًاعلى ثابت بلانك، أو العكس إيجاد ثابت بلانك بدلالة كتل معروفة. ليون تشاو في المعهد الوطني للتكنولوجيا والقياس مع عدد من زملائه يشرحون كيفية القيام بذلك بواسطة تجربة مبنية على استخدام قطع الليغو.

حاول الفيزيائيون بالمعهد الوطني للتكنولوجيا والقياس تطوير طرق مختلفة لإجراء القياسات واستقروا على التجربة التي عرفت باسم توازن واط watt balance وهي تجربة بسيطة من حيث المبدأ. فكرتها هي تحقيق التوازن بين قوة الجاذبية التي تؤثر على الكتلة والقوة المتولدة عن تيار كهربائي في ملف والموجود  داخل مجال مغناطيسي. ومن ثم يمكن حساب الكتلة بطريقة مباشرة عن طريق مقارنة القدرة الميكانيكية إلى القدرة الكهربائية (القدرة الميكانيكية والكهربائية كلاهما تقاس بالواط ومن هنا سميت التجربة).

وتتضمن التجربة قياس الجهد والتيار المار خلال الملف إضافة إلى سرعة الكتلة خلال حركتها داخل الملف. كما تتطلب أيضا قيمة دقيقة لتسارع الجاذبية والتي يمكن الحصول عليها بسهولة عن طريق إدخال مكانك على الأرض في الموقع الالكتروني الذي تديره الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (1).

 

يأتي ثابت بلانك من التعريف التاريخي لوحدة قياس القدرة . منذ 1990 تمت معايرة جميع القياسات الكهربائية باستخدام نظام الوحدات حيث ثابت بلانك والعديد من الثوابت الأخرى تم اعتماد تعريفها بدلا قياسها.

على النقيض من ذلك، تعتمد القدرة الميكانيكة على وحدات SI التي تعتمد على القيمة المقاسة من ثابت بلانك وبمقارنة القدرة الكهربائية في الوحدات التقليدية إلى القدرة الميكانيكية في وحدات SI , يمكن حساب ثابت بلانك h.

إذن كل ما تحتاجه هو توازن واط , وقد قام تشاو وزملاؤوه بشرح كيفية بناءه باستخدام الليغو وتقديم قائمة شاملة للاجزاء التي يمكن طلبها عبر موقع الليغو (2)

إجمالي تكلفة هذه التجربة 634$ لكن يمكن تقليلها. القطعة الأكثر تكلفة هي جهاز البيانات حيث يكلف 300$ والمخرجات التماثلية 90$. لكن تشاو وزملاؤه يقولون أنه يمكن استبدالهما بقطعة واحدة تكلف 189$ وبالتالي توفير 200$. مما يجعلها في متناول اليد لطلاب المدارس والهواة. ويضيف الفريق :”نأمل في تشجيع المتحمسين لتجربة  توازن واط باستخدام الليغو واللعب والاستمتاع  بعلم القياس والمقاييس”.

مع اقتراب موسم العطلات يبحث الأشخاص عن الهدايا الكبيرة. مجموعة  LEGO ستكون هدية مثالية للفيزيائي الذي يملك كل شيء!

 

 

 

المصدر الأصلي:

Technologyreview 

موقع الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (1)

ngs.noaa

(2)

lego

Comments are closed.