Method Article

التشخيص البصري عالي السرعة لمدفع بينج بونج أسرع من الصوت

DOI:

10.3791/64996

⸱

March 24th, 2023

 , 
1Department of Physics and Engineering, Bethel University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وصفنا طريقة لبناء مدفع بينج بونج أسرع من الصوت (SSPPC) جنبا إلى جنب مع تقنيات التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة وتوصيف انتشار موجات الصدمة أثناء إطلاق المدفع.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مدفع كرة الطاولة التقليدي (PPC) هو جهاز تعليمي يطلق كرة بينج بونج أسفل أنبوب مفرغ إلى سرعات صوتية تقريبا باستخدام الضغط الجوي وحده. يحقق SSPPC ، وهو نسخة معززة من PPC ، سرعات تفوق سرعة الصوت من خلال تسريع الكرة بضغط أكبر من الضغط الجوي. نحن نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC الأمثل و SSPPC.

يتم تنفيذ التشخيص البصري لغرض التحقيق في ديناميات المدفع. يتم إنهاء ليزر HeNe الذي يتم إرساله عبر نافذتين من الأكريليك بالقرب من مخرج الأنبوب على مستشعر جهاز استقبال ضوئي. يقيس المعالج الدقيق الوقت الذي تعيق فيه كرة البينج بونج الحزمة لحساب سرعة الكرة تلقائيا. يتم عرض النتائج على الفور على شاشة LCD.

يوفر إعداد حافة السكين البصري وسيلة حساسة للغاية للكشف عن موجات الصدمة عن طريق قطع جزء صغير من شعاع HeNe في المستشعر. تتسبب موجات الصدمة في انحرافات الحزمة الناتجة عن الانكسار ، والتي يتم ملاحظتها على أنها طفرات صغيرة في الجهد في الإشارة الكهربائية من جهاز الاستقبال الضوئي.

الطرق المقدمة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة وتوفر الفرصة لمزيد من التحقيق في بيئة مختبرية.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

PPC هو عرض فيزيائي شائع يستخدم لإظهار ضغط الهواء الهائل الذي يتعرض له الناس باستمرار1،2،3،4،5. يتضمن العرض التوضيحي وضع كرة بينج بونج في قسم من الأنبوب له قطر داخلي يساوي تقريبا قطر الكرة. يتم إغلاق الأنبوب من كل طرف بشريط ويتم إخلاؤه إلى ضغط داخلي أقل من 2 Torr. يتم ثقب الشريط الموجود على أحد طرفي الأنبوب ، مما يسمح للهواء بدخول المدفع ويتسبب في تعرض الكرة لتسارع ذروة يبلغ حوالي 5000 جرام. تخرج الكرة، التي تتسارع بالضغط الجوي وحده، من المدفع بسرعة ٣٠٠ م/ث تقريبا بعد أن تحركت مسافة ٢ م.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. بناء وتجميع مدفع كرة الطاولة (PPC)

  1. قم بتجميع جميع مكونات PPC وفقا للشكل 1.
  2. أدخل نافذتين من الأكريليك عالي الوضوح في جانبي المدفع للسماح بالفحص البصري عبر الجزء الداخلي من المدفع.
    1. حفر اثنين 1/2 في ثقوب من خلال جوانب متقابلة من PVC بالقرب من مخرج المدفع.
    2. تحضير اثنين 1/8 في نوافذ الاكريليك سميكة باستخدام حفارة الليزر. قم بتنزيل ملفات svg التكميلية الثلاثة.
      ملاحظة: هناك ثلاثة ملفات بعنوان "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
      (الملف التكميلي 1)، "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
      (الملف التكميلي 2) و"JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC و SSPPC ، جنبا إلى جنب مع تنفيذ التشخيص البصري لتوصيف الصدمات وقياسات السرعة. كما يتم توفير نتائج تجريبية تمثيلية. يتم عرض الأنظمة المكتملة ل PPC و SSPPC ، جنبا إلى جنب مع الملحقات الضرورية ، في الشكل 1 والشكل 2. SSPPC هي نسخة معززة من PPC ، حيث يتم توصيل قسم مضغوط من الأنبوب المدفوع ل PPC. يظهر إعداد التشخيص البصري للكشف عن حافة السكين لموجات الصدمة وقياسات سرعة كرة البينج بونج في الشكل 3. يظهر.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لقد قدمنا طريقة لبناء PPC و SSPPC جنبا إلى جنب مع التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة وتوصيف انتشار الصدمات بالقرب من مخرج المدفع. تم إنشاء PPC القياسي بقسم 2 متر من 1.5 في الجدول 80 الأنابيب البلاستيكية. الأنبوب مزود بحواف في كل طرف ، وتركيبات تفريغ سريعة التوصيل ، ونوافذ أكريليك بالقرب من المخرج لتشخيص الليزر. يظهر مخطط تفصيلي ل PPC في الشكل 1. قبل إطلاق النار ، يتم إدخال كرة بينج بونج في المدفع ، ويتم إغلاق الأطراف. يتم إغلاق نهاية الخروج عن طريق تثبيت الشريط مباشرة على الحافة. في الطرف الآخ.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم دعم هذا العمل من قبل قسم NSF للتعليم الجامعي (جائزة # 2021157) كجزء من IUSE: برنامج EHR

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
15 فولت تيار محدود امدادات الطاقةتركيز جديد0901الكمية: 1
2 "× 6" لوحهوم ديبوتBTR KD-HT Sالكمية: 1
5.0 "40 دبوس 800 × 480 شاشة TFTAdafruit1680الكمية: 1
مقياس الضغط المطلقMcMaster-Carr1791T30 & ndash ؛ 20 [تور] | الكمية: 1
كابل بورتر ضاغط هواءC20026 جالون | الكمية: 1
Arduino UNO Rev3ArduinoA000066الكمية: 1
صمام تخفيف الضغط سريع المفعول ASME-Code
ل Air		McMaster-Carr5784T13مطلي بالنيكل ، 3/8 NPT ، 125 رطل لكل بوصة مربعة ضبط الضغط | الكمية: 1
شريط كهربائي أسودMcMaster-Carr76455A21الكمية: 1
كابل BNCرقم Digikey115-095-850-277M050-NDالكمية: 2
مرآة عازلة عريضةTHORLABSBB05-E02400 & ndash ؛ 750 نانومتر ، & أوسلاش. 1/2 بوصة | الكمية: 1
C-ClampMcMaster-Carr5133A15فتحة 3 بوصات ، وصول 2 بوصة | الكمية: 6
كام المشبكروكلر58252الحجم: 5/16 "-18 | الكمية: 2 (2 عبوة)
الضغط الرقميأوميغا الهندسية ، Inc.DPG104S0 & - - - ضغط مطلق 100 رطل لكل بوصة مربعة ، مع الإخراج والإنذارات | الكمية: 1
مقياس الضغط الرقميأوميغا الهندسية ، Inc.DPG104S0 & - - - ضغط مطلق 100 رطل لكل بوصة مربعة ، مع الإخراج والإنذارات | الكمية: 1
مزلاج سحبMcMaster-Carr1889A37الحجم: 3 3/4 بوصة × 7/8 بوصة | الكمية: 4
لوحة سائق لشاشات TFT التي تعمل باللمس 40 سناAdafruit1590الكمية: 1
حشية EPDM كاملةالوجه عبر الإنترنت155G125125FF150الكمية: 2
مادة الحشيةMcMaster-Carr9470K4115 × 15 بوصة ، 1/8 بوصة سميكة | الكمية: 1
Glowforge PlusGlowforgeGlowforge Plusالكمية: 1
HeNe Laserأحادي الطور1108الفئة 2 | الكمية: 1
ختم صندوق عاليالارتفاع سكوتش5334472 مم بعرض   ؛
مزود طاقة ليزرأحادي الطور1201-1115 فولت .12 أمبير | الكمية: 1
LM311 المقارنةDigikey Electronics296-1389-5-NDالكمية: 1
مرآة جبلTHORLABSFMP05ثابت & Oslash; 1/2 "، 8 & ndash ؛ 32 اضغط | الكمية: 1
فيلم بوليستر مقاوم للرطوبةMcMaster-Carr8567K10210 × 0.0005 بوصة × 27 بوصة | الكمية: 1
فيلم بوليستر مقاوم للرطوبةMcMaster-Carr8567K1210 × 0.001 بوصة × 40 بوصة | الكمية: 1
فيلم بوليستر مقاوم للرطوبةMcMaster-Carr8567K2210 × 0.002 بوصة × 40 بوصة | الكمية: 1
مفصلة مثبتة على مورتيز مع ثقوبMcMaster-Carr1598A52الحجم: 1 بوصة × 1/2 بوصة | الكمية: 4
إبرة صمامRobbins Aviation IncINSG103-1Pالكمية: 1
شعاع غير مستقطبTHORLABSBS037الحجم: 10 مم | الكمية: 2
الجدول اللافلزي PVC 40CantexA52BE12الكمية: 2.5 م & nbsp ؛
Oatey PVC الأسمنت والتمهيديالتركيبات عبر الإنترنت30246الكمية: 1
حشية Buna-N قابلة للانضغاط مقاومة للزيت مع ثقوب ولاصقMcMaster-Carr8516T4541-1 / 2 حجم الأنبوب ، ANSI 150 ، 1/16 بوصة سميكة | الكمية: 1
OscilliscopeTektronixTBS2102الكمية: 1
جهاز استقبال ضوئيجديد التركيز1801125 ميجا هرتز | الكمية: 2
كرات بينغ بونج MAPOLFBA_MP-001حامل منصة ثلاث نجوم
لجهاز تقسيم الشعاع 10 مم ومنشورات الزاوية اليمنىTHORLABSBSH104-40 Tap | الكمية: 1
عالية الوضوح الاكريليكGlowforgeNAالسماكة: 1/8 " | الكمية: 1
Sch 80 PVC CapPVC التركيبات عبر الإنترنت847-040الحجم: 4 " | الكمية: 1
Sch 80 PVCالأنابيب البلاستيكية التجهيزات عبر الإنترنت8008-040AB-5الكمية: 5 قدم
Sch 80 PVC المخفض اقترانتركيبات PVC عبر الإنترنت829-419الحجم: 4 "× 1-1 / 2" | الكمية: 1
Sch 80 PVC Slip Flangeالتركيبات عبر الإنترنت851-015الحجم: 1 1/2 " | الكمية: 3
سيليكون مانع التسرب داو كورنينجماكماستر كار7587A23 أونصة أنبوب شفاف | الكمية: 1
قوس زاوية فولاذيMcMaster-Carr1556A42الحجم: 1 1/2 بوصة × 1 1/2 بوصة × 1/2 بوصة | الكمية: 16
مضخة فراغMastercool& nbsp ؛ MSC-90059-MD1 مرحلة ، 1.5 قدم مكعب في الدقيقة ، 1 / 6 حصان ، 115 فولت / 60 هرتز
النطاق مقياس تركيبات PVC شريط مكعب PVC إثبات PVC

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. The ping-pong cannon: A closer look. The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).
  2. Olson, G., et al. The role of shock waves in expansion tube accelerators. American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).
  3. ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Supersonic Ping Pong CannonOptical DiagnosticsShock Wave DetectionKnife Edge SetupBall Velocity MeasurementPhotoreceiver SensorOscilloscope TracesPressure DifferentialMach NumberVacuum Pipe

Related Articles