Süpersonik Ping-Pong Topunun Yüksek Hızlı Optik Teşhisi

PPC, insanların sürekli olarak maruz kaldığı muazzam hava basıncını göstermek için kullanılan popüler bir fizik gösterisidir 1,2,3,4,5. Gösterim, bir pinpon topunun, topun çapına yaklaşık olarak eşit bir iç çapa sahip bir boru bölümüne yerleştirilmesini içerir. Boru her iki ucunda bantla kapatılır ve 2 Torr’dan daha düşük bir iç basınca tahliye edilir. Borunun bir ucundaki bant delinir, bu da havanın topa girmesine izin verir ve topun yaklaşık 5.000 g’lık tepe ivmelenmeleri yaşamasına neden olur. Sadece atmosferik basınçla hızlanan top, 2 m ilerledikten sonra yaklaşık 300 m/s hızla toptan çıkar.

PPC genellikle atmosferik basıncın basit bir gösterimi olarak çalıştırılmasına rağmen, aynı zamanda çok sayıda açık uçlu öğrenci projesiyle sonuçlanan karmaşık sıkıştırılabilir akış fiziği sergileyen bir cihazdır. Topun dinamikleri, duvar sürtünmesi, topun etrafındaki havanın sızması ve hızlanan top tarafından şok dalgalarının oluşumu gibi ikincil faktörlerden etkilenir. Topun önemli ölçüde hızlanması, topun önündeki tüpten aşağı doğru ilerleyen büyük genlikli bir sıkıştırma dalgası ortaya çıkarır. Bu sıkıştırmalar yerel ses hızından daha hızlı hareket eder, bu da sıkıştırma dalgasının dikleşmesine ve sonunda bir şok dalgası^6’nın oluşmasına neden olur. Önceki çalışmalar, top ile tüpün bantlanmış çıkışı arasındaki şok dalgasının yansımaları ve topun çıkışından önce bandın ayrılması nedeniyle tüpün çıkışında hızlı basınç birikimini incelemiştir². Tek aynalı schlieren görüntüleme tekniğini kullanan yüksek hızlı video, bandın yansıtıcı şok dalgalarına tepkisini ve PPC ^7,8’in çıkışında bandın nihai olarak ayrıldığını ortaya koymuştur (Video 1). Bu nedenle, PPC hem her yaştan izleyicinin ilgisini çeken basit bir hava basıncı gösterimi hem de laboratuvar ortamında ayrıntılı olarak incelenebilen karmaşık akışkan fiziği sergileyen bir cihaz olarak hizmet vermektedir.

Standart PPC ile, pinpon topu hızları ses hızı ile sınırlıdır. PPC’nin bu temel versiyonu, topu süpersonik hızlara çıkarmak için kullanılan modifiye edilmiş bir topla birlikte bu makalenin kapsamında ele alınmıştır. French ve ark. tarafından yapılan önceki çalışmalarda, süpersonik pinpon topu hızları, yakınsak-uzaklaşan bir nozul ^{9,10,11’den} basınca dayalı akış kullanılarak elde edilmiştir. Burada sunulan SSPPC, pinpon topu üzerinde tek başına atmosferik basınç tarafından sağlanandan daha büyük bir basınç farkı sağlamak için basınçlı (sürücü) bir boru kullanır. Sürücü borusunu, topu içeren tahliye edilmiş (tahrikli) borudan ayırmak için ince bir polyester diyafram kullanılır. Bu diyafram yeterli ölçüm basıncı altında yırtılır (diyafram kalınlığına bağlı olarak genellikle 5-70 psi), böylece pinpon topunu Mach 1.4’e kadar hızlanmak üzere hızlandırır. Süpersonik pinpon topu, yüksek hızlı gölgegraf görüntüleme teknikleri ^7,12 kullanılarak görülebileceği gibi, ayakta duran bir şok dalgası üretir (Video 2).

Düşük güçlü (sınıf II) HeNe lazer, topun performansı üzerine optik teşhis çalışmaları yapmak için kullanılır. HeNe lazer ışını iki yola ayrılır, bir yol topun çıkışına yakın bir dizi akrilik pencereden geçer ve ikinci yol topun çıkışından hemen geçer. Her yol bir fotoalıcıda sona erer ve sinyal çift kanallı bir osiloskopta görüntülenir. Topun ateşlenmesi sırasında kaydedilen osiloskop izi, hem hızlandırılmış pinpon topunun hızı hem de topun toptan çıkışından önceki sıkıştırılabilir akış ve şok dalgaları hakkında bilgi verir. Her bir ışın konumundaki 40 mm çapındaki pinpon topunun hızı, topun kirişi bloke ettiği zamanla doğrudan ilgilidir. Hassas bir “bıçak kenarı” şok algılama kurulumu, dedektörün yarısını bir parça siyah elektrik bandı ile kaplayarak ve bandın kenarını ışın^2’nin ortasına yerleştirerek elde edilir. Bu kurulumla, sıkıştırılabilir akışa bağlı kırılma gradyanları indeksi tarafından üretilen He-Ne lazer ışınının hafif sapmaları, osiloskop izi üzerindeki voltaj artışları olarak açıkça görülebilir. Top çıkışına doğru ilerleyen şok dalgaları ve yansıyan şok dalgaları ışını zıt yönlere saptırır ve bu nedenle pozitif veya negatif voltaj artışı ile tanımlanır.

Burada, optimize edilmiş bir PPC ve SSPPC’nin yanı sıra optik tanı tekniklerinin oluşturulması ve kullanımı için talimatlar sunuyoruz (Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3). Optik tanı teknikleri ve ölçümleri, önceki çalışma yıllarında geliştirilmiştir ^1,2.