超音速乒乓球炮的高速光学诊断

PPC是一种流行的物理演示，用于显示人们不断暴露于的巨大气压¹，²，³，^4，5。该演示涉及将乒乓球放置在内径大约等于球直径的管道中。管道两端用胶带密封，并抽真空到小于 2 Torr 的内部压力。管道一端的胶带被刺破，这允许空气进入大炮，并导致球经历大约 5，000 g 的峰值加速度。仅通过大气压力加速的球在行进 300 m 后以大约 m/s 的速度离开大炮 2 m。

虽然PPC通常作为大气压力的简单演示进行操作，但它也是一种表现出复杂可压缩流动物理的装置，这导致了许多开放式学生项目。球的动力学受壁面摩擦、球周围空气泄漏、加速球形成冲击波等次要因素的影响。球的大幅加速度引入了一个大振幅的压缩波，该压缩波沿着球前方的管子传播。这些压缩的传播速度比局部声速快，导致压缩波变陡，最终形成冲击波⁶。以前的工作已经研究了由于球和管子的胶带出口之间的冲击波的反射以及由此产生的胶带^在球出口之前在管子出口处压力的快速积聚2。使用单镜纹影成像技术的高速视频揭示了磁带对反射冲击波的响应以及磁带在PPC^7，8 出口处的最终分离（视频1）。因此，PPC既可以作为吸引所有年龄段观众的气压的简单演示，也可以作为展示复杂流体物理的设备，可以在实验室环境中进行详细研究。

使用标准PPC，乒乓球速度受到声速的限制。本文涵盖了PPC的这个基本版本，以及用于将球提升到超音速的改进加农炮。在French等人以前的工作中，超音速乒乓球速度是通过通过会聚发散喷嘴⁹，^10，11的压力驱动流来实现的。这里介绍的SSPPC利用加压（驱动器）管在乒乓球上提供比单独大气压更大的压差。使用薄聚酯隔膜将驱动管与包含球的真空（从动）管分开。该隔膜在足够的表压下破裂（通常为5-70 psi，取决于隔膜厚度），从而将乒乓球加速到1.4马赫的速度。超音速乒乓球产生驻留冲击波，使用高速阴影^{成像技术7，12}（视频2）可以看出。

低功率（II类）氦氖激光器用于对大炮的性能进行光学诊断研究。HeNe激光束分为两条路径，一条路径穿过大炮出口附近的一组亚克力窗口，第二条路径穿过大炮出口。每条路径在光电接收器上终止，信号显示在双通道示波器上。在大炮发射过程中记录的示波器轨迹揭示了有关加速乒乓球速度以及球从大炮出口之前的可压缩流动和冲击波的信息。直径为40毫米的乒乓球在每个光束位置的速度与球阻挡光束的时间直接相关。灵敏的“刀刃”冲击检测设置是通过用一块黑色电工胶带覆盖检测器的一半并将胶带的边缘定位在光束²的中心来实现的。通过这种设置，由可压缩流动诱导的折射梯度指数产生的氦氖激光束的轻微偏转在示波器迹线上清晰可见，如电压尖峰。向大炮出口传播的冲击波和反射的冲击波使光束向相反的方向偏转，因此由正或负电压尖峰识别。

在这里，我们提供了构建和使用优化的PPC和SSPPC的说明，以及光学诊断技术（图1，图2和图3）。光学诊断技术和测量是通过前几年的研究^1，2开发的。