Высокоскоростная оптическая диагностика сверхзвуковой пушки для пинг-понга

PPC – это популярная физическая демонстрация, используемая для демонстрации огромного давления воздуха, которому люди постоянно подвергаются 1,2,3,4,5. Демонстрация включает в себя размещение мяча для пинг-понга в отрезке трубы, внутренний диаметр которого примерно равен диаметру мяча. Труба герметизируется с каждого конца лентой и откачивается до внутреннего давления менее 2 Торр. Лента на одном конце трубы проколота, что позволяет воздуху проникать в пушку и вызывает пиковые ускорения шара примерно в 5000 g. Шар, который разгоняется только атмосферным давлением, выходит из пушки со скоростью примерно 300 м/с после прохождения 2 м.

Хотя PPC обычно используется как простая демонстрация атмосферного давления, он также является аппаратом, который демонстрирует сложную физику сжимаемого потока, что привело к многочисленным открытым студенческим проектам. На динамику мяча влияют вторичные факторы, такие как трение стенки, утечка воздуха вокруг мяча и образование ударных волн ускоряющимся мячом. Существенное ускорение мяча создает волну сжатия большой амплитуды, которая распространяется вниз по трубке перед мячом. Эти сжатия распространяются быстрее, чем локальная скорость звука, что приводит к углублению волны сжатия и возможному образованию ударной волны⁶. В предыдущих работах изучалось быстрое нарастание давления на выходе из трубки из-за отражения ударной волны между шаром и заклеенным скотчем выходом трубки и результирующего отрыва ленты до выхода шара². Высокоскоростное видео с использованием метода однозеркальной шлиренной визуализации выявило реакцию ленты на отражающие ударные волны и возможное отсоединение ленты на выходе из PPC ^7,8 (видео 1). Таким образом, PPC служит как простой демонстрацией давления воздуха, которая интригует аудиторию всех возрастов, так и устройством, демонстрирующим сложную физику жидкости, которую можно очень подробно изучить в лабораторных условиях.

В стандартном PPC скорость шарика для пинг-понга ограничена скоростью звука. Эта базовая версия PPC рассматривается в рамках этой статьи, наряду с модифицированной пушкой, используемой для разгона шара до сверхзвуковых скоростей. В предыдущей работе Френча и др. сверхзвуковые скорости шариков для пинг-понга были достигнуты за счет использования потока, управляемого давлением, через сходящееся-расходящееся сопло 9,10,11. Представленный здесь SSPPC использует трубу под давлением (драйвер) для обеспечения большего перепада давления на мяче для пинг-понга, чем обеспечивается только атмосферным давлением. Тонкая полиэфирная диафрагма используется для отделения трубы драйвера от вакуумированной (ведомой) трубы, содержащей шарик. Эта мембрана разрывается при достаточном давлении датчика (обычно 5-70 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от толщины диафрагмы), тем самым ускоряя шарик для пинг-понга до скорости до 1,4 Маха. Сверхзвуковой шарик для пинг-понга создает стоячую ударную волну, что можно увидеть с помощью высокоскоростных методов визуализации теневого графика ^7,12 (Видео 2).

Маломощный (класс II) HeNe-лазер используется для проведения оптических диагностических исследований характеристик пушки. Луч HeNe-лазера разделен на два пути, один из которых проходит через набор акриловых окон у выхода из пушки, а второй путь проходит сразу за выходом из пушки. Каждый тракт заканчивается на фотоприемнике, и сигнал отображается на двухканальном осциллографе. След осциллографа, зафиксированный во время стрельбы из пушки, раскрывает информацию как о скорости разогнанного шарика для пинг-понга, так и о сжимаемом потоке и ударных волнах, которые предшествуют выходу шара из пушки. Скорость шарика для пинг-понга диаметром 40 мм в каждом месте луча напрямую связана со временем, когда мяч блокирует луч. Чувствительная установка обнаружения удара «лезвие ножа» достигается путем покрытия половины детектора куском черной изоленты и позиционирования края ленты в центре луча². При такой установке небольшие отклонения луча He-Ne лазера, создаваемые сжимаемым индуцированным потоком показателем градиентов преломления, хорошо видны в виде скачков напряжения на трассе осциллографа. Ударные волны, движущиеся к выходу из пушки, и отраженные ударные волны отклоняют луч в противоположных направлениях и, следовательно, идентифицируются либо положительным, либо отрицательным скачком напряжения.

Здесь мы приводим инструкции по созданию и использованию оптимизированных PPC и SSPPC, а также методы оптической диагностики (рис. 1, рис. 2 и рис. 3). Методы оптической диагностики и измерения были разработаны в предыдущие годы исследования ^1,2.