Giocando con i LEGO abbiamo realizzato un semplice modello funzionante di sensore di massa, capace di mostrare in modo chiaro come la frequenza di risonanza vari al cambiare della massa.
Il Lego-MARS model è stato utilizzato per illustrare, in maniera semplice e accessibile, i principi fisici alla base dei sensori a microcantilever, oggi ampiamente studiati e impiegati in numerose applicazioni. Lo studio e lo sviluppo di nuovi sensori di questo tipo sono stati inoltre al centro del progetto di ricerca europeo MARS (Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship n. 842147).
Il modello è costituito da una sottile barra metallica fissata a un’estremità. Sull’estremità libera è montato un pezzo LEGO a cui possono essere facilmente aggiunti o tolti altri mattoncini, così da modificare la massa applicata.
Per il montaggio è sono stati utilizzati i componenti LEGO Mindstorms EV3 del set “educational standard” (#45544).
I movimenti del cantilever vengono misurati con un sensore di luce (Colour Sensor # 95650) ottico che rileva le variazioni della luce riflessa da una zona lucida della barra oscillante. L’intensità riflessa varia quando la barra si avvicina o si allontana dal sensore. Questo segnale consente di contare le oscillazioni in un determinato tempo e ricavare la frequenza di oscillazione. Il mattoncino EV3 è programmato per svolgere queste operazioni.
Una misurazione consiste nell’aggiungere un certo numero di mattoni sul supporto all’estremità libera del cantilever, eseguire il programma, avviare le oscillazioni e attendere che vengano rilevati 20 periodi. Al termine, il display dell’EV3 mostrerà il valore della frequenza misurata.
Per effettuare una misurazione, si aggiunge un numero a piacere di mattoncini al supporto posto all’estremità libera del cantilever, e si avvia il programma.
Dopo il rilevamento di 20 periodi di oscillazione, il display dell’EV3 visualizza il valore della frequenza misurata. Il valore della massa può essere trovato a partire dalla frequenza usando la formula o la curva di calibrazione in figura.
Fig 1 Grafico dei risultati sperimentali (rombi blu) insieme a una curva di fitting (in rosso).
Materiale disponibile:
Mouro J., Tiribilli B. “Report on the realization of a toy model with Lego Mindstorm EV3 showcasing the basic physical principle of cantilever mass sensing.” DOI 10.5281/zenodo.7124296
Programma: LegoMARS EV3 program
Video LegoMars 8 bricks
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