Diagnóstico óptico de alta velocidade de um canhão de pingue-pongue supersônico

A CPP é uma demonstração física popular usada para mostrar a imensa pressão do ar à qual as pessoas estão continuamente expostas 1,2,3,4,5. A demonstração envolve a colocação de uma bola de pingue-pongue em uma seção de tubo que tem um diâmetro interno que é aproximadamente igual ao diâmetro da bola. O tubo é selado em cada extremidade com fita adesiva e evacuado para uma pressão interna inferior a 2 Torr. A fita em uma das extremidades do tubo é perfurada, o que permite que o ar entre no canhão e faz com que a bola experimente acelerações máximas de aproximadamente 5.000 g’s. A bola, que é acelerada apenas pela pressão atmosférica, sai do canhão a uma velocidade de aproximadamente 300 m/s depois de viajar 2 m.

Embora o PPC seja comumente operado como uma simples demonstração da pressão atmosférica, ele também é um aparelho que exibe física complexa de escoamentos compressíveis, o que resultou em inúmeros projetos abertos de estudantes. A dinâmica da bola é influenciada por fatores secundários, como o atrito da parede, o vazamento de ar ao redor da bola e a formação de ondas de choque pela bola em aceleração. A aceleração substancial da bola introduz uma onda de compressão de grande amplitude que viaja pelo tubo na frente da bola. Essas compressões viajam mais rápido do que a velocidade do som local, resultando em um aumento da onda de compressão e na eventual formação de uma onda de choque⁶. Trabalhos anteriores estudaram o rápido acúmulo de pressão na saída do tubo devido aos reflexos da onda de choque entre a bola e a saída do tubo e o consequente descolamento da fita antes da saída da bola². O vídeo de alta velocidade utilizando a técnica de imagem de schlieren de espelho único revelou a resposta da fita às ondas de choque refletindo e o eventual descolamento da fita na saída do CPP ^7,8 (Vídeo 1). Assim, o PPC serve tanto como uma simples demonstração da pressão do ar que intriga públicos de todas as idades quanto como um dispositivo exibindo física complexa de fluidos, que pode ser estudada em grande detalhe em um ambiente de laboratório.

Com o PPC padrão, as velocidades da bola de pingue-pongue são limitadas pela velocidade do som. Esta versão básica do PPC é abordada no escopo deste artigo, juntamente com um canhão modificado usado para impulsionar a bola a velocidades supersônicas. Em trabalhos anteriores de French et al., as velocidades supersônicas da bola de pingue-pongue foram alcançadas utilizando o fluxo acionado por pressão através de um bocal convergente-divergente 9,10,11. O SSPPC aqui apresentado utiliza um tubo pressurizado (driver) para fornecer um diferencial de pressão maior na bola de pingue-pongue do que é fornecido apenas pela pressão atmosférica. Um diafragma fino de poliéster é utilizado para separar o tubo condutor do tubo evacuado (acionado) que contém a esfera. Este diafragma rompe-se sob pressão suficiente (geralmente 5-70 psi, dependendo da espessura do diafragma), acelerando assim a bola de pingue-pongue para velocidades de até Mach 1,4. A bola supersônica de pingue-pongue produz uma onda de choque estacionária, como pode ser visto usando técnicas de imagem de shadowgraph de alta velocidade ^7,12 (Vídeo 2).

Um laser HeNe de baixa potência (classe II) é usado para realizar estudos de diagnóstico óptico sobre o desempenho do canhão. O feixe de laser HeNe é dividido em dois caminhos, com um caminho atravessando um conjunto de janelas de acrílico perto da saída do canhão e o segundo caminho atravessando logo após a saída do canhão. Cada caminho termina em um fotorreceptor, e o sinal é exibido em um osciloscópio de canal duplo. O traço do osciloscópio registrado durante o disparo do canhão revela informações sobre a velocidade da bola de pingue-pongue acelerada e o fluxo compressível e as ondas de choque que precedem a saída da bola do canhão. A velocidade da bola de pingue-pongue de 40 mm de diâmetro em cada local do feixe está diretamente relacionada ao tempo em que a bola bloqueia o feixe. Uma configuração sensível de detecção de choque “ponta de faca” é obtida cobrindo metade do detector com um pedaço de fita elétrica preta e posicionando a borda da fita no centro do feixe². Com esta configuração, pequenas deflexões do feixe de laser He-Ne, produzidas pelo índice compressível induzido pelo fluxo de gradientes de refração, são claramente visíveis como picos de tensão no traçado do osciloscópio. As ondas de choque que viajam em direção à saída do canhão e as ondas de choque refletidas desviam o feixe em direções opostas e, portanto, são identificadas por um pico de tensão positivo ou negativo.

Aqui, fornecemos instruções para a construção e utilização de um CPP e CPSS otimizados, bem como técnicas de diagnóstico óptico (Figura 1, Figura 2 e Figura 3). As técnicas e medidas ópticas diagnósticas foram desenvolvidas em anos anteriores de estudo ^1,2.