Summary

אבחון אופטי במהירות גבוהה של תותח פינג-פונג על-קולי

Published: March 24, 2023
doi:

Summary

אנו מתארים שיטה לבניית תותח פינג פונג על-קולי (SSPPC) יחד עם טכניקות אבחון אופטיות למדידת מהירויות כדור ואפיון גלי הלם מתפשטים במהלך ירי התותח.

Abstract

תותח הפינג-פונג המסורתי (PPC) הוא מנגנון חינוכי המשגר כדור פינג-פונג במורד צינור מפונה למהירויות כמעט קוליות באמצעות לחץ אטמוספרי בלבד. ה-SSPPC, גרסה מוגברת של ה-PPC, משיגה מהירויות על-קוליות על ידי האצת הכדור בלחץ אטמוספרי גדול מהלחץ האטמוספרי. אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו- SSPPC אופטימליים.

דיאגנוסטיקה אופטית מיושמת לצורך חקירת הדינמיקה של התותח. לייזר HeNe הנשלח דרך שני חלונות אקריליים בסמוך ליציאת הצינור מסתיים בחיישן פוטו-מקלט. מיקרו-מעבד מודד את הזמן שבו הקרן נחסמת על ידי כדור הפינג-פונג כדי לחשב באופן אוטומטי את מהירות הכדור. התוצאות מוצגות מיד על צג LCD.

מערך קצה סכין אופטי מספק אמצעי רגיש ביותר לזיהוי גלי הלם על ידי חיתוך חלק קטן מקרן HeNe בחיישן. גלי הלם גורמים לסטיות הנגרמות על ידי שבירה של הקרן, אשר נצפות כקפיצות מתח קטנות באות החשמלי מהקולט.

השיטות המוצגות ניתנות לשחזור רב ומציעות הזדמנות לחקירה נוספת בסביבת מעבדה.

Introduction

PPC היא הדגמה פיזיקלית פופולרית המשמשת כדי להראות את לחץ האוויר העצום שאליו אנשים נחשפים ללא הרף 1,2,3,4,5. ההדגמה כוללת מיקום של כדור פינג פונג בקטע צינור בעל קוטר פנימי השווה בקירוב לקוטר הכדור. הצינור נאטם בכל קצה בנייר דבק ומפונה ללחץ פנימי של פחות מ-2 טור. הסרט בקצה אחד של הצינור מנוקב, מה שמאפשר כניסת אוויר לתותח וגורם לכדור לחוות תאוצות שיא של כ-5,000 גרם. הכדור, המואץ על ידי לחץ אטמוספרי בלבד, יוצא מהתותח במהירות של כ-300 מטר לשנייה לאחר נסיעה של 2 מטר.

למרות PPC מופעל בדרך כלל כהדגמה פשוטה של לחץ אטמוספרי, זה גם מכשיר המציג פיזיקה זרימה דחיסה מורכבת, אשר הביא פרויקטים סטודנטים פתוחים רבים. הדינמיקה של הכדור מושפעת מגורמים משניים כגון חיכוך הקיר, דליפת האוויר סביב הכדור והיווצרות גלי הלם על ידי הכדור המואץ. התאוצה המשמעותית של הכדור מציגה גל דחיסה בעל משרעת גדולה שנע במורד הצינור שלפני הכדור. דחיסות אלה נעות מהר יותר ממהירות הקול המקומית, וכתוצאה מכך תלול גל הדחיסה ובסופו של דבר נוצר גל הלם6. עבודות קודמות חקרו את הצטברות הלחץ המהירה ביציאה מהצינור עקב השתקפויות גל ההלם בין הכדור לבין היציאה המודבקת של הצינור והניתוק שנוצר של הקלטת לפני יציאת הכדור2. וידאו במהירות גבוהה באמצעות טכניקת הדמיה של שלירן במראה אחת חשף את תגובת הקלטת לגלי ההלם המשקפים ואת הניתוק הסופי של הקלטת ביציאה של PPC 7,8 (וידאו 1). לפיכך, ה- PPC משמש הן כהדגמה פשוטה של לחץ אוויר המסקרן קהלים בכל הגילאים והן כמכשיר המציג פיזיקת נוזלים מורכבת, אותה ניתן לחקור בפירוט רב בסביבת מעבדה.

עם PPC סטנדרטי, מהירויות כדור פינג פונג מוגבלות על ידי מהירות הקול. גרסה בסיסית זו של PPC מכוסה בהיקף של מאמר זה, יחד עם תותח שונה המשמש כדי להגביר את הכדור למהירויות קוליות. בעבודה קודמת של פרנץ’ ואחרים, מהירויות כדורי פינג-פונג על-קוליים הושגו על ידי ניצול זרימה מונעת לחץ דרך זרבובית מתכנסת 9,10,11. ה- SSPPC המוצג כאן משתמש בצינור לחץ (דרייבר) כדי לספק הפרש לחצים גדול יותר על כדור הפינג פונג מאשר מסופק על ידי לחץ אטמוספרי בלבד. דיאפרגמת פוליאסטר דקה משמשת להפרדת צינור הנהג מהצינור המפונה (מונע) המכיל את הכדור. דיאפרגמה זו נקרעת תחת לחץ גייג’ מספיק (בדרך כלל 5-70 psi, תלוי בעובי הסרעפת), ובכך מאיצה את כדור הפינג פונג למהירויות של עד 1.4 מאך. כדור הפינג-פונג העל-קולי מייצר גל הלם עומד, כפי שניתן לראות באמצעות טכניקות הדמיה של גרף צללים במהירות גבוהה 7,12 (וידאו 2).

לייזר HeNe בעל הספק נמוך (Class II) משמש לביצוע מחקרי אבחון אופטיים על ביצועי התותח. קרן הלייזר HeNe מחולקת לשני נתיבים, כאשר נתיב אחד חוצה מערכת חלונות אקריליים בסמוך ליציאת התותח והנתיב השני חוצה ממש מעבר ליציאת התותח. כל נתיב מסתיים במקלט פוטו, והאות מוצג באוסילוסקופ דו-ערוצי. עקבות האוסילוסקופ שנרשמו במהלך ירי התותח חושפות מידע הן על מהירות כדור הפינג-פונג המואץ והן על הזרימה הדחוסה וגלי ההלם שקדמו ליציאת הכדור מהתותח. מהירות כדור הפינג-פונג בקוטר 40 מ”מ בכל מיקום קורה קשורה ישירות לזמן שבו הכדור חוסם את הקורה. מערך זיהוי זעזועים רגיש “קצה סכין” מושג על ידי כיסוי מחצית הגלאי בחתיכת סרט חשמלי שחור ומיקום קצה הסרט במרכז הקרן2. עם הגדרה זו, סטיות קלות של קרן הלייזר He-Ne, המיוצרות על ידי אינדקס זרימה דחוס של שיפועי שבירה, נראים בבירור כקפיצות מתח על עקבות האוסילוסקופ. גלי ההלם הנעים לכיוון יציאת התותח וגלי ההלם המוחזרים מסיטים את הקרן לכיוונים מנוגדים ולכן מזוהים על ידי זינוק מתח חיובי או שלילי.

כאן אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו-SSPPC ממוטבים, כמו גם טכניקות אבחון אופטיות (איור 1, איור 2 ואיור 3). טכניקות האבחון האופטי והמדידות פותחו במהלך שנות מחקר קודמות 1,2.

Protocol

1. בנייה והרכבה של תותח פינג פונג (PPC) הרכיבו את כל רכיבי ה-PPC לפי איור 1. הכנס שני חלונות אקריליים ברורים בצידי התותח כדי לאפשר חיטוט אופטי על פני פנים התותח.קדח שני 1/2 חורים דרך צדדים מנוגדים של PVC ליד היציאה של התותח. הכינו שני חלונות אקריליים עבי…

Representative Results

כאן, אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו- SSPPC, יחד עם יישום הדיאגנוסטיקה האופטית לאפיון זעזועים ומדידות מהירות. תוצאות ניסוי מייצגות מסופקות גם כן. המערכות שהושלמו של PPC ו-SSPPC, יחד עם האביזרים הדרושים, מוצגות באיור 1 ובאיור 2. SSPPC הוא גרסה מוגברת של PPC, שבו קטע…

Discussion

הצגנו שיטה לבניית PPC ו-SSPPC יחד עם דיאגנוסטיקה אופטית למדידת מהירויות כדוריות ולאפיון התפשטות זעזועים בסמוך ליציאת התותח. PPC סטנדרטי בנוי עם קטע 2 מ ‘של 1.5 בלוח 80 PVC צינור. הצינור מצויד באוגנים בכל קצה, אביזרי ואקום לחיבור מהיר וחלונות אקריליים בסמוך ליציאה לצורך אבחון לייזר. סכמה מפורטת של PPC מ…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי חטיבת NSF לחינוך לתואר ראשון (פרס # 2021157) כחלק מתוכנית IUSE: EHR

Materials

15 V Current Limited Power Supply New Focus 0901 Quantity: 1
2" x 6" Plank Home Depot BTR KD-HT S Quantity: 1
5.0" 40-pin 800 x 480 TFT Display Adafruit 1680 Quantity: 1
Absolute Pressure Gauge McMaster-Carr 1791T3 0–20 Torr | Quantity: 1
Air Compressor Porter Cable C2002 6 gallon | Quantity: 1
Arduino UNO Rev3 Arduino A000066 Quantity: 1
ASME-Code Fast-Acting Pressure-Relief Valve
for Air
McMaster-Carr 5784T13 Nickel-Plated, 3/8 NPT, 125 PSI Set Pressure | Quantity: 1
Black Electrical Tape McMaster-Carr 76455A21 Quantity: 1
BNC Cable Digikey Number 115-095-850-277M050-ND Quantity: 2
Broadband Dielectric Mirror THORLABS BB05-E02 400–750 nm, Ø1/2" | Quantity: 1
C-Clamp McMaster-Carr 5133A15 3" opening, 2" reach | Quantity: 6
Cam Clamp Rockler 58252 Size: 5/16"-18 | Quantity: 2 (2 pack)
Digital Pressure Gauge Omega Engineering, Inc. DPG104S 0–100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Quantity: 1
Digital Pressure Gauge Omega Engineering, Inc. DPG104S 0–100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Quantity: 1
Draw Latch McMaster-Carr 1889A37 Size: 3 3/4" x 7/8" | Quantity: 4
Driver Board for 40-pin TFT Touch Displays Adafruit 1590 Quantity: 1
Full Faced EPDM Gasket PVC Fittings Online 155G125125FF150 Quantity: 2
Gasket Material McMaster-Carr 9470K41 15" x 15", 1/8" thick | Quantity: 1
Glowforge Plus Glowforge Glowforge Plus Quantity: 1
HeNe Laser Uniphase 1108 Class 2 | Quantity: 1
High Tack Box Sealing Tape Scotch 53344 72 mm wide 
Laser Power Supply Uniphase 1201-1 115 V .12 A | Quantity: 1
LM311 Comparator Digikey Electronics 296-1389-5-ND Quantity: 1
Mirror Mount THORLABS FMP05 Fixed Ø1/2", 8–32 Tap | Quantity: 1
Moisture-Resistant Polyester Film McMaster-Carr 8567K102 10' x 0.0005" x 27" | Quantity: 1
Moisture-Resistant Polyester Film McMaster-Carr 8567K12 10' x 0.001" x 40" | Quantity: 1
Moisture-Resistant Polyester Film McMaster-Carr 8567K22 10' x 0.002" x 40" | Quantity: 1
Mourtise-Mount Hinge with Holes McMaster-Carr 1598A52 Size: 1" x 1/2" | Quantity: 4
Needle Valve Robbins Aviation Inc INSG103-1P Quantity: 1
Non-Polarizing Cube Beamsplitters THORLABS BS037 Size: 10 mm | Quantity: 2
Nonmetallic PVC Schedule 40 Cantex A52BE12 Quantity: 2.5 m 
Oatey PVC Cement and Primer PVC Fittings Online 30246 Quantity: 1
Oil-Resistant Compressible Buna-N Gasket with Holes and Adhesive McMaster-Carr 8516T454 1-1/2 Pipe Size, ANSI 150, 1/16" Thick | Quantity: 1
Oscilliscope Tektronix TBS2102 Quantity: 1
Photoreceiver New Focus 1801 125-MHz | Quantity: 2
Ping Pong Balls MAPOL FBA_MP-001 Three Star
Platform Mount for 10mm Beamsplitter and Right-Angle Prisms THORLABS BSH10 4-40 Tap | Quantity: 1
Proofgrade High Clarity Clear Acrylic Glowforge NA Thickness: 1/8" | Quantity: 1
Sch 80 PVC Cap PVC Fittings Online 847-040 Size: 4" | Quantity: 1
Sch 80 PVC Pipe PVC Fittings Online 8008-040AB-5 Quantity: 5 ft
Sch 80 PVC Reducer Coupling PVC Fittings Online 829-419 Size: 4" x 1-1/2" | Quantity: 1
Sch 80 PVC Slip Flange PVC Fittings Online 851-015 Size: 1 1/2" | Quantity: 3
Silicone Sealant Dow Corning McMaster-Carr 7587A2 3 oz. Tube, Clear | Quantity: 1
Steel Corner Bracket McMaster-Carr 1556A42 Size: 1 1/2" x 1 1/2" x 1/2" | Quantity: 16
Vacuum Pump Mastercool  MSC-90059-MD 1 Stage, 1.5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ

Referencias

  1. Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. The ping-pong cannon: A closer look. The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).
  2. Olson, G., et al. The role of shock waves in expansion tube accelerators. American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).
  3. Cockman, J. Improved vacuum bazooka. The Physics Teacher. 41 (4), 246-247 (2003).
  4. Ayars, E., Buchholtz, L. Analysis of the vacuum cannon. American Journal of Physics. 72 (7), 961-963 (2004).
  5. Thuecks, D. J., Demas, H. A. Modeling the effect of air-intake aperture size in the ping-pong ball cannon. American Journal of Physics. 87 (2), 136-140 (2019).
  6. Liepmann, H. W., Roshko, A. . Elements of gas dynamics. , (1957).
  7. Settles, S. . Schlieren and shadowgraph techniques. , (2001).
  8. Geisert, T. A single mirror schlieren optical system. American Journal of Physics. 52 (5), 467 (1984).
  9. French, R. M., Gorrepati, V., Alcorta, E., Jackson, M. The mechanics of a ping-pong ball gun. Experimental Techniques. 32 (1), 24-30 (2008).
  10. French, M., Zehrung, C., Stratton, J. A supersonic ping-pong gun. arXiv. , (2013).
  11. French, F., Choudhuri, R., Stratton, J., Zehrung, C., Huston, D. A modular supersonic ping-pong gun. arXiv. , (2018).
  12. Fredrick, C. D., et al. Complementary studies on supersonic nozzle flow: heterodyne interferometry, high-speed video shadowgraphy, and numerical simulation. WIT Transactions on Modelling and Simulation. 59, 223-234 (2015).

Play Video

Citar este artículo
Barth, T. J., Stein, K. R. High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon. J. Vis. Exp. (193), e64996, doi:10.3791/64996 (2023).

View Video