Summary

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

Published: March 24, 2023
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Summary

Descrevemos um método para a construção de um canhão supersônico de pingue-pongue (SSPPC) juntamente com técnicas de diagnóstico óptico para a medição da velocidade da bola e a caracterização da propagação de ondas de choque durante o disparo do canhão.

Abstract

O canhão de pingue-pongue tradicional (PPC) é um aparato educacional que lança uma bola de pingue-pongue por um tubo evacuado a velocidades quase sônicas usando apenas a pressão atmosférica. O SSPPC, uma versão aumentada do PPC, atinge velocidades supersônicas acelerando a bola com pressão maior do que a atmosférica. Fornecemos instruções para a construção e utilização de um PPC e SSPPC otimizados.

Diagnósticos ópticos são implementados com o propósito de investigar a dinâmica do canhão. Um laser HeNe que é enviado através de duas janelas de acrílico perto da saída do tubo é terminado em um sensor fotorreceptor. Um microprocessador mede o tempo que o feixe é obstruído pela bola de pingue-pongue para calcular automaticamente a velocidade da bola. Os resultados são imediatamente apresentados em um display LCD.

Uma configuração óptica de ponta de faca fornece um meio altamente sensível de detectar ondas de choque, cortando uma fração do feixe HeNe no sensor. As ondas de choque causam deflexões induzidas por refração do feixe, que são observadas como pequenos picos de tensão no sinal elétrico do fotorreceptor.

Os métodos apresentados são altamente reprodutíveis e oferecem a oportunidade de investigações adicionais em laboratório.

Introduction

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.

Protocol

1. Construção e montagem do canhão de pingue-pongue (PPC) Monte todos os componentes do PPC de acordo com a Figura 1. Insira duas janelas de acrílico de alta claridade nas laterais do canhão para permitir a sondagem óptica em todo o interior do canhão.Faça dois furos 1/2 em lados opostos do PVC perto da saída do canhão. Prepare dois 1/8 em janelas grossas de acrílico usando um gravador a laser. Faça o download dos três arqu…

Representative Results

Aqui, fornecemos instruções para a construção e utilização de um PPC e um SSPPC, juntamente com a implementação do diagnóstico óptico para caracterização de choques e medições de velocidade. Resultados experimentais representativos também são fornecidos. Os sistemas completos do PPC e SSPPC, juntamente com os acessórios necessários, são mostrados na Figura 1 e na Figura 2. O SSPPC é uma versão aumentada do PPC, onde uma seção pressurizada …

Discussion

Apresentamos um método para a construção de um CPP e um CPSS, juntamente com diagnósticos ópticos para a medição das velocidades das esferas e para a caracterização da propagação do choque próximo à saída do canhão. O PPC padrão é construído com uma seção de 2 m de 1,5 em tubo de PVC de programação 80. O tubo é equipado com flanges em cada extremidade, conexões de vácuo de conexão rápida e janelas de acrílico perto da saída para diagnóstico a laser. Um esquema detalhado do CPP é mostrado na…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho é apoiado pela Divisão de Ensino de Graduação da NSF (prêmio # 2021157) como parte do programa 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

References

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Cite This Article
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).

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