Summary
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
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
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.
على الرغم من أن PPC يتم تشغيله بشكل شائع كعرض بسيط للضغط الجوي ، إلا أنه أيضا جهاز يعرض فيزياء التدفق القابلة للانضغاط المعقدة ، مما أدى إلى العديد من مشاريع الطلاب المفتوحة. تتأثر ديناميكيات الكرة بعوامل ثانوية مثل احتكاك الجدار ، وتسرب الهواء حول الكرة ، وتشكيل موجات الصدمة بواسطة الكرة المتسارعة. تقدم عجلة الكرة الكبيرة موجة ضغط كبيرة السعة تنتقل لأسفل الأنبوب أمام الكرة. تنتقل هذه الضغطات أسرع من سرعة الصوت المحلية ، مما يؤدي إلى انحدار موجة الضغط وتشكيلموجة الصدمة 6 في نهاية المطاف. درست الأعمال السابقة التراكم السريع للضغط عند مخرج الأنبوب بسبب انعكاسات موجة الصدمة بين الكرة والخروج المسجل للأنبوب والانفصال الناتج عن الشريط قبل خروج الكرة2. كشف الفيديو عالي السرعة باستخدام تقنية تصوير schlieren أحادية المرآة عن استجابة الشريط لموجات الصدمة العاكسة والانفصال النهائي للشريط عند مخرج PPC 7,8 (الفيديو 1). وبالتالي ، فإن PPC بمثابة عرض بسيط لضغط الهواء الذي يثير اهتمام الجماهير من جميع الأعمار وكجهاز يعرض فيزياء السوائل المعقدة ، والتي يمكن دراستها بتفصيل كبير في بيئة معملية.
مع PPC القياسي ، تكون سرعات كرة الطاولة محدودة بسرعة الصوت. تمت تغطية هذه النسخة الأساسية من PPC في نطاق هذه الورقة ، جنبا إلى جنب مع مدفع معدل يستخدم لتعزيز الكرة إلى سرعات تفوق سرعة الصوت. في العمل السابق الذي قام به French et al. ، تم تحقيق سرعات كرة بينج بونج الأسرع من الصوت من خلال استخدام التدفق المدفوع بالضغط من خلال فوهة متقاربة متباعدة9،10،11. يستخدم SSPPC المعروض هنا أنبوبا مضغوطا (سائقا) لتوفير فرق ضغط أكبر على كرة البينج بونج مما يوفره الضغط الجوي وحده. يتم استخدام غشاء بوليستر رقيق لفصل أنبوب التشغيل عن الأنبوب الذي تم إخلاؤه (مدفوع) الذي يحتوي على الكرة. يتمزق هذا الحجاب الحاجز تحت ضغط قياس كاف (بشكل عام 5-70 رطل / بوصة مربعة ، اعتمادا على سمك الحجاب الحاجز) ، وبالتالي تسريع كرة البينج بونج إلى سرعات تصل إلى 1.4 ماخ. تنتج كرة البينج بونج الأسرع من الصوت موجة صدمة دائمة ، كما يمكن رؤيته باستخدام تقنيات تصوير الظل عالية السرعة 7,12 (فيديو 2).
يتم استخدام ليزر HeNe منخفض الطاقة (الفئة الثانية) لإجراء دراسات تشخيصية بصرية حول أداء المدفع. ينقسم شعاع الليزر HeNe إلى مسارين ، حيث يمر مسار واحد عبر مجموعة من نوافذ الأكريليك بالقرب من مخرج المدفع والمسار الثاني يمر بعد مخرج المدفع مباشرة. ينتهي كل مسار على جهاز استقبال ضوئي ، ويتم عرض الإشارة على راسم الذبذبات ثنائي القناة. يكشف تتبع الذبذبات المسجل أثناء إطلاق المدفع عن معلومات حول كل من سرعة كرة البينج بونج المتسارعة والتدفق القابل للانضغاط وموجات الصدمة التي تسبق خروج الكرة من المدفع. ترتبط سرعة كرة البينج بونج التي يبلغ قطرها 40 مم في كل موقع شعاع ارتباطا مباشرا بالوقت الذي تحجب فيه الكرة الحزمة. يتم تحقيق إعداد حساس للكشف عن الصدمات "حافة السكين" من خلال تغطية نصف الكاشف بقطعة من الشريط الكهربائي الأسود ووضع حافة الشريط في مركز الحزمة2. مع هذا الإعداد ، تكون الانحرافات الطفيفة لشعاع الليزر He-Ne ، الناتجة عن مؤشر التدفق الناجم عن الانضغاط لتدرجات الانكسار ، مرئية بوضوح كطفرات في الجهد على تتبع راسم الذبذبات. موجات الصدمة التي تنتقل نحو مخرج المدفع وموجات الصدمة المنعكسة تنحرف الحزمة في اتجاهين متعاكسين ، وبالتالي ، يتم تحديدها إما من خلال ارتفاع الجهد الإيجابي أو السلبي.
هنا ، نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC و SSPPC الأمثل ، بالإضافة إلى تقنيات التشخيص البصري (الشكل 1 والشكل 2 والشكل 3). تم تطوير تقنيات وقياسات التشخيص البصري خلال السنوات السابقة من الدراسة 1,2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. بناء وتجميع مدفع كرة الطاولة (PPC)
- قم بتجميع جميع مكونات PPC وفقا للشكل 1.
- أدخل نافذتين من الأكريليك عالي الوضوح في جانبي المدفع للسماح بالفحص البصري عبر الجزء الداخلي من المدفع.
- حفر اثنين 1/2 في ثقوب من خلال جوانب متقابلة من PVC بالقرب من مخرج المدفع.
- 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"
(الملف التكميلي 3). يجب استخدام هذه الملفات الثلاثة بالترتيب المقدم باستخدام العملية الموضحة في العنوان (نقش / قص). يجب ضبط سرعة الليزر وإعدادات الطاقة وفقا للإعدادات الموصى بها من قبل الشركة المصنعة للأكريليك. يجب أن تزيل كل خطوة نقش حوالي 1/3 من سمك المادة. - أضف مادة مانعة للتسرب من السيليكون إلى حافة الأكريليك ، مع الحرص على عدم وجود أي منها على النافذة. بعد ذلك ، ضع النوافذ في الثقوب ، وتأكد من أنها متعامدة مع بعضها البعض. اترك متسعا من الوقت حتى يعالج السيليكون بعد هذا الجزء من العملية.
ملاحظة: في حالة عدم توفر قاطع ليزر ، يمكن لف قطعة من الشريط الشفاف حول محيط الأنبوب لإغلاق 1/2 في الثقوب والعمل كنافذة داخل الأنبوب. يمكن إجراء مزيد من التجارب عن طريق إدخال نوافذ إضافية في المدفع لقياس سرعة وتسارع كرة البينج بونج على طول الأنبوب المدفوع.
- باستخدام صنفرة الحزام ، قم بالرمل من وجه الحافة عند مخرج المدفع. قم بإنهاء الصنفرة بورق صنفرة ناعم الحبيبات بحيث يمكن للشريط أن يلتصق جيدا بالحافة.
- باستخدام قاطع ليزر ، قم بقص غطاء أكريليك بعد "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (الملف التكميلي 4). قم بتوصيل حشية مطاطية كاملة الوجه بغطاء الأكريليك. غطاء الأكريليك هو أحد مكونات ختم الضغط المستخدم عند إطلاق PPC.
- قم بتأمين المدفع بإحكام لإطلاق النار ، وضع حاوية قوية للقبض على كرة البينج بونج بأمان مع حشوة وافرة لتقليل التأثير بالجدار الخلفي للحاوية.
ملاحظة: هناك العديد من الحلول لتأمين مدفع كرة الطاولة والتقاط الكرة بأمان. بالنسبة للتجربة المقدمة ، تم إنشاء نظام تثبيت مخصص لتأمين المدفع بإحكام باتجاه أفقي. يمكن بناء هذه المشابك باتباع "JoVE_CannonMountTemplate.png" (الملف التكميلي 5).- استخدم الملف التكميلي 5 كقالب لقص 2 بوصة × 6 في ألواح خشبية. قم بتوصيل الأجزاء العلوية والسفلية من نظام التثبيت بمزلاج سحب ومفصلة لتأمين المدفع.
- قم بتبطين الأجزاء الداخلية من المشابك بمادة حشية مطاطية لمنع انزلاق المدفع أثناء عملية إطلاق النار. قم بتوصيل الأجزاء العلوية والسفلية المتصلة من نظام التثبيت بالقاعدة باستخدام أربعة أقواس زاوية.
- قم بتركيب نظام التثبيت المكتمل على سطح الطاولة باستخدام أربعة مشابك C. قم ببناء حاوية من الخشب الرقائقي مقاس 13 بوصة × 13 بوصة × 24 بوصة ، وادعمها بأربعة ألواح من الخشب الرقائقي مقاس 1 بوصة للقبض على كرة البينج بونج. ضع مادة توسيد في الحاوية لمنع ارتداد الكرة. قم بتركيب هذه الحاوية بمشابك C على سطح الطاولة.
2. بناء وتجميع مدفع بينج بونج الأسرع من الصوت (SSPPC)
- قم بتجميع جميع مكونات أنبوب التشغيل باتباع الشكل 2.
ملاحظة: يتمثل الاختلاف الأساسي بين PPC و SSPPC في أن SSPPC معزز بقسم مضغوط للقيادة من الجدول 80 PVC pipe متصل بمدخل PPC. لذلك ، إذا تم بالفعل إنشاء PPC ، فكل ما تبقى ليتم تجميعه لبناء SSPPC هو قسم أنبوب التشغيل. - قم بتأمين المدفع بإحكام لإطلاق النار ووضع حاوية قوية يمكنها التقاط كرة البينج بونج بأمان مع حشوة وافرة لتقليل التأثير على الجدار الخلفي للحاوية.
ملاحظة: أنظمة التركيب والالتقاط الموضحة في الخطوة 1.5 هي نفس الأنظمة المستخدمة لتأمين SSPPC.
3. التشخيص البصري
- قم بإعداد الليزر ومقسم الشعاع والمرآة وأجهزة الاستقبال الضوئية عن طريق تركيب المكونات على لوح تجارب بصري ، وفقا للشكل 3. قم بتوجيه الليزر بشكل عمودي على المدفع ، حيث يمر الشعاع الأول عبر الجزء الداخلي من الأنبوب عبر نوافذ الأكريليك ويمر الثاني خارج مخرج المدفع مباشرة.
- قم بتشغيل أجهزة الاستقبال الضوئية ووحدة الليزر عن طريق توصيلها بمصدر طاقة محدود بتيار 15 فولت ومصدر طاقة ليزر. قم بتوصيل أجهزة الاستقبال الضوئية بقناتي الذبذبات باستخدام كبلات BNC.
- ضع شريطا كهربائيا أسود فوق نصف مستشعر جهاز الاستقبال الضوئي. يعمل الشريط بمثابة "حافة سكين" لإنشاء إعداد حساس للكشف عن الصدمات.
ملاحظة: يمكن تحسين حساسية اكتشاف حافة السكين باستخدام عدسة متقاربة لتركيز الشعاع على حافة السكين. يمكن أيضا تعزيز الحساسية عن طريق زيادة المسافة التي تقطعها الحزمة إلى المستقبل الضوئي ، مما يؤدي إلى إزاحة انكسارية أكبر للحزمة. - قبل ضبط مستوى الزناد على راسم الذبذبات ، انتبه بشكل خاص لتجنب القص ، والذي يمكن أن ينتج عن حساسية إعداد حافة السكين. لتجنب القص ، اضبط موضع الحزمة على حافة السكين بحيث يكون جهد خط الأساس حوالي 50٪ من الجهد الأقصى. الحد الأقصى للجهد هو الجهد عندما يكون الشعاع الكامل على الكاشف دون عائق.
- اضبط الإعدادات على راسم الذبذبات لجمع 20 مليون نقطة بيانات. اضبط معدل الحصول على البيانات على 500 ميجاهرتز عن طريق ضبط مقبض المقياس الأفقي. أدر مقبض الزناد للتعثر بجهد أقل بقليل من جهد خط الأساس المكتسب من جهاز الاستقبال الضوئي.
ملاحظة: يمكن العثور على سرعة كرة البينج بونج من خلال الرياضيات البسيطة باستخدام وحدات الاستقبال الضوئي. السرعة هي قطر كرة البينج بونج مقسوما على الوقت الذي تعيق فيه الكرة الحزمة. يتم استخدام معالج دقيق لمعالجة الإشارة الواردة من وحدة الاستقبال الضوئي الداخلية لقياس سرعة الكرة تلقائيا في نهاية المدفع.
- اضبط الإعدادات على راسم الذبذبات لجمع 20 مليون نقطة بيانات. اضبط معدل الحصول على البيانات على 500 ميجاهرتز عن طريق ضبط مقبض المقياس الأفقي. أدر مقبض الزناد للتعثر بجهد أقل بقليل من جهد خط الأساس المكتسب من جهاز الاستقبال الضوئي.
4. قياسات السرعة التلقائية
- لاستخدام معالج دقيق لقياسات السرعة التلقائية ، قم بتحويل الإشارة من وحدة الاستقبال الضوئي إلى نبضة 0-5 فولت ، كما هو موضح في الشكل 5 ، باستخدام مقارنة تعمل عند حوالي 10٪ من جهد خط الأساس. قم بتوصيل الإشارة المحولة بالمنفذ 7 للمعالج الدقيق.
- قم بتنزيل "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (الملف التكميلي 6) ، وقم بتحميله على المعالج الدقيق.
- قم بتوصيل شاشة RA8875 ولوحة التشغيل بالمنافذ المخصصة على المعالج الدقيق.
5. إعداد وإطلاق مدفع كرة الطاولة
- وضعت على حماية الأذن والعين قبل إطلاق المدفع.
- أدخل كرة بينج بونج في مخرج المدفع. انفخ برفق في نهاية المدفع حتى تصطدم الكرة بالفراغ المناسب بالقرب من مدخل الأنبوب.
- قم بتثبيت شريط 3 بوصة × 3 بوصة مربعة على الحافة عند الطرف الخارج من المدفع ومربع ثان على غطاء الأكريليك. أغلق الشريط بحيث يلتصق بسطح الحافة والغطاء.
ملاحظة: إذا كان هناك أي تجاعيد أو فقاعات كبيرة ، فيجب التخلص من الشريط. إذا لم يلتصق الشريط بالسطح بشكل كاف ، فقد يضيع الفراغ ، ويمكن أن يطلق المدفع النار قبل الأوان. في حالة فقد الفراغ في أي وقت ، يمكن فتح صمام الإبرة المتصل بمضخة التفريغ لتحقيق التوازن في النظام. - تأكد من توسيط شعاع الليزر على حافة السكين ، وضبط الزناد بشكل صحيح ، وحاوية الالتقاط آمنة.
- قم بتشغيل مضخة التفريغ لإخلاء الأنبوب إلى ضغط مطلق منخفض أقل من 2 Torr. بمجرد الوصول إلى فراغ كاف ، قم بثقب الشريط عند المدخل بأداة حادة مثل رأس عريض أو طرف حلاقة.
- بعد إطلاق النار ، قم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ. قم بإزالة الشريط من شفة الخروج وغطاء الأكريليك.
6. إعداد وإطلاق مدفع بينج بونج الأسرع من الصوت
- من أجل السلامة ، ارتد حماية السمع والعين طوال عملية إطلاق النار.
- صفائح مقطوعة من 0.0005 بوصة و 0.001 بوصة و 0.002 في فيلم بوليستر تتناسب مع أبعاد الحافة. يمكن قطع هذه الأوراق يدويا أو ، ويفضل استخدام قاطع الليزر. استخدم الملف التكميلي "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (الملف التكميلي 7) كمخطط تفصيلي.
ملاحظة: لغرض هذه التجربة ، تم إطلاق المدفع بصفائح مفردة من 0.0005 بوصة و 0.001 بوصة و 0.002 في فيلم بوليستر ، وتم تسجيل النتائج في الشكل 7. يمكن العثور على قالب لقص فيلم البوليستر بالليزر كملف SVG (الملف التكميلي 7). - تأكد من إغلاق الصمام من ضاغط الهواء إلى أنبوب التشغيل. املأ ضاغط الهواء مسبقا للسماح بملء أنبوب السائق بشكل أسرع عندما يكون المدفع جاهزا للإطلاق.
- أدخل كرة بينج بونج في مخرج المدفع. انفخ برفق في نهاية المدفع حتى يتم إيقاف الكرة بواسطة تركيب الفراغ بالقرب من مدخل الأنبوب المدفوع.
- قم بتثبيت شريط 3 بوصات × 3 بوصة مربعة على الطرف الخارج من المدفع. أغلق الشريط بحيث يلتصق بسطح الحافة.
ملاحظة: إذا كان هناك أي تجاعيد أو فقاعات كبيرة ، فيجب التخلص من الشريط. إذا لم يلتصق الشريط بالسطح بشكل كاف ، فقد يضيع الفراغ ، ويمكن أن يطلق المدفع النار قبل الأوان. في حالة حدوث تسرب فراغ أو مضاعفات أخرى ، استخدم صمام تحرير الضغط على أنبوب التشغيل وصمام الإبرة الموجود على مضخة التفريغ لتحقيق التوازن في النظام. - أدخل غشاء بوليستر رقيق مقطوع مسبقا بين حشيتين مطاطيتين. ضع الحجاب الحاجز والحشيات المطاطية بين السائق والأجزاء المدفوعة من المدفع. قم بتوصيل القسمين بإحكام باستخدام 4 مشابك كام.
- تأكد من توسيط شعاع الليزر على حافة السكين ، وضبط الزناد بشكل صحيح ، وحاوية الالتقاط آمنة.
- قم بتشغيل مضخة التفريغ لإخلاء الأنبوب إلى ضغط مطلق منخفض أقل من 2 Torr. حرر الضغط من ضاغط الهواء إلى أنبوب التشغيل. اسمح للضغط بالارتفاع حتى ينفجر الحجاب الحاجز ويملأ الهواء المضغوط داخل أنبوب التشغيل الأنبوب المدفوع المفرغ بسرعة.
- بعد إطلاق المدفع ، قم بإيقاف تشغيل ضاغط الهواء ومضخة التفريغ. قم بإزالة الحجاب الحاجز البوليستر المتفجر والشريط من المدفع.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 الشكل 4 عينة من تتبع راسم الذبذبات يوضح فعالية التشخيص البصري لتوصيف الصدمات وقياسات السرعة ، جنبا إلى جنب مع الرسومات المفاهيمية التي توضح حركة الكرة وموجات الصدمة العاكسة المقابلة لتتبع راسم الذبذبات. يتم عرض الإشارات الخام والمعالجة التي يتلقاها المعالج الدقيق ، جنبا إلى جنب مع تصوير حسابات السرعة المعروضة على شاشات الكريستال السائل ، في الشكل 5. يظهر في الشكل 6 تتبع راسم الذبذبات ثنائي القناة التمثيلي من الإطلاق الناجح ل SSPPC. توضح آثار راسم الذبذبات فعالية إعداد حافة السكين للكشف عن موجات الصدمة داخل وخارج المدفع مباشرة. تعرض الآثار أيضا قطعا واضحا في الإشارة أثناء مرور الكرة ، والذي يستخدم لإجراء حسابات دقيقة لسرعة الكرة. تم إجراء اختبارات لإطلاق SSPPC في ظل ظروف تمزق الحجاب الحاجز المختلفة. تم رسم العلاقة بين سرعات كرة البينج بونج وظروف تمزق الحجاب الحاجز SSPPC في الشكل 7.
الشكل 1: رسم تخطيطي لمدفع كرة الطاولة القياسي. يوضح هذا الشكل إعداد وتخطيط مدفع كرة الطاولة القياسي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: رسم تخطيطي لمدفع كرة الطاولة الأسرع من الصوت. يوضح هذا الشكل إعداد وتخطيط مدفع كرة الطاولة الأسرع من الصوت. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: رسم تخطيطي لإعداد أجهزة التشخيص البصري. يوضح هذا الشكل إعداد وتخطيط مكونات القياس التشخيصي البصري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: تتبع راسم الذبذبات التمثيلي مع انتشار موجة الصدمة الموضحة. يصور هذا الشكل موجة صدمة منتشرة تنعكس طوال عملية إطلاق المدفع ، والتي يمثلها تغيير في الجهد فيما يتعلق بالوقت. تصور اللقطات الخمس للمدفع اتجاه انتشار الصدمة بالتزامن مع موضع الكرة في المدفع. يتم تحديد اتجاه موجة الصدمة من خلال ارتفاع إيجابي أو سلبي في الإشارة. يمكن قياس السرعة من خلال عرض النبضة "المربعة" الناتجة عن قطع الكرة للحزمة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: تحويل إشارة المعالجات الدقيقة وعرضها. هنا ، نعرض أثر جهاز الاستقبال الضوئي المستشعر داخليا الناتج عن لقطة نموذجية ل PPC. يتم عكس النبض الناتج عن كرة السفر بواسطة جهاز مقارنة ، ويتم إزالة الضوضاء الزائدة ، ويتم رفعها إلى 0 فولت و 5 فولت بحيث يمكن قراءتها بسهولة بواسطة المعالج الدقيق. تتم قراءة عرض النبضة المربعة المعالجة بواسطة المعالج الدقيق واستخدامها لحساب السرعة ، والتي يتم عرضها بعد ذلك على شاشة LCD. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: تتبع راسم الذبذبات التمثيلي لإطلاق SSPPC. يظهر تتبع راسم الذبذبات ثنائي القناة إشارة حافة السكين للعوارض التي تعبر المناطق الداخلية (الحمراء) والخارجية (الزرقاء) بالقرب من مخرج المدفع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: اعتماد سرعات خروج كرة البينج بونج SSPPC على ظروف تمزق الحجاب الحاجز. تم إطلاق SSPPC لسلسلة من الحالات باستخدام صفائح مفردة من 0.0005 بوصة و 0.001 بوصة و 0.002 في فيلم بوليستر. تم رسم فرق ضغط الغشاء عند التمزق مقابل رقم ماخ لكل حالة. تم إطلاق المدفع ثماني مرات لكل سمك غشاء ، وتمثل قضبان الخطأ الرأسية والأفقية الخطأ القياسي في الضغط التفاضلي وعدد ماخ ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
فيديو 1: تقنية التصوير شليرين. يكشف الفيديو عن استجابة الشريط لموجات الصدمة العاكسة وانفصال الشريط في نهاية المطاف عند مخرج PPC. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيديو.
فيديو 2: تقنية تصوير الظل عالية السرعة. تنتج كرة البينج بونج الأسرع من الصوت موجة صدمة دائمة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيديو.
الملف التكميلي 1: JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 2: JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 3: JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 4: JoVE_AcrylicCap_Cut.svg الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 5: JoVE_CannonMountTemplate.png الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 6: JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 7: JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 الآخر من الأنبوب ، يتم تثبيت الشريط فوق غطاء أكريليك بفتحة 1.5 بوصة ، ويتم إغلاق الأنبوب باستخدام غطاء الأكريليك مع حشية مطاطية. يتم تأمين PPC بإحكام ، ويتم وضع حاوية قوية للقبض على كرة الطاولة بأمان. يتم إطلاق المدفع عن طريق إخلاء الأنبوب إلى ضغط مطلق منخفض أقل من 2 Torr وثقب المدفع بجسم حاد. SSPPC عبارة عن بناء معزز ل PPC ينتج تسارعا متزايدا وسرعات كرة بينج بونج أسرع من الصوت من خلال تأمين قسم مضغوط من 4 في الجدول 80 أنبوب PVC إلى PPC القياسي. يظهر مخطط تفصيلي ل SSPPC في الشكل 2. يتم إغلاق أحد طرفي الأنبوب المضغوط بغطاء ، بينما يتم توصيل الطرف الآخر ب PPC باستخدام اقتران المخفض وشفة. تم تجهيز الأنبوب المضغوط بمقياس ضغط 1-100 رطل لكل بوصة مربعة ، وتركيبات سريعة التوصيل بضاغط هواء ، وصمام تخفيف ضغط الأمان. قبل إطلاق النار ، يتم إدخال الكرة في المدفع ويتم إغلاق نهاية الخروج عن طريق تثبيت الشريط على الحافة. بعد ذلك ، يتم توصيل أقسام السائق والقيادة بإحكام بغشاء رفيع من البوليستر وحشية مطاطية بينهما. يتم تأمين SSPPC ، ويتم وضع حاوية قوية للقبض على كرة الطاولة بأمان. بعد تقليل الضغط في الأنبوب المدفوع إلى أقل من 2 Torr ، يتم إطلاق المدفع عن طريق تحرير الضغط من ضاغط الهواء إلى أنبوب السائق حتى ينفجر الحجاب الحاجز.
تم إعداد التشخيصات البصرية ذات حافة السكين على لوح تجارب بصري باستخدام ليزر ومقسم شعاع ومرآة ومستقبلات ضوئية ، كما هو موضح في الشكل 3. يتم توجيه الليزر بشكل عمودي على المدفع ، حيث يمر شعاع واحد داخل الأنبوب عبر نوافذ الأكريليك وشعاع آخر (من مقسم الحزمة) يمر خارج مخرج المدفع مباشرة. يتم جمع شدة الحزم بواسطة وحدتي استقبال ضوئي ، ويتم عرض الإشارة على راسم الذبذبات الرقمي ثنائي القناة. يتم وضع شريط كهربائي أسود على مستشعرات جهاز الاستقبال الضوئي لحجب ما يقرب من نصف كل شعاع. يعمل الشريط كحافة سكين ويزيد من الحساسية للكشف عن الانحرافات المستعرضة الصغيرة الناتجة عن موجات الصدمة أو اختلافات الكثافة الأخرى في التدفق. يتم تسجيل البيانات من أجهزة الاستقبال الضوئية تلقائيا عند إطلاق المدفع عن طريق تشغيل راسم الذبذبات عندما تجتاز الكرة الحزمة الأولى. قبل ضبط مستوى الزناد على راسم الذبذبات ، يجب توخي الحذر بشكل خاص لتجنب القص ، والذي يمكن أن ينتج عن حساسية نظام حافة السكين. يمكن تجنب القص عن طريق ضبط موضع الحزمة على حافة السكين بحيث يكون جهد خط الأساس حوالي 50٪ من الجهد الأقصى. يتم حساب سرعات كرة البينج بونج باستخدام الآثار من وحدات استقبال الصور. يتم إجراء حساب بسيط ودقيق للسرعة بقسمة قطر كرة البينج بونج على الوقت الذي تعيق فيه الكرة الحزمة. يتم استخدام معالج دقيق لمعالجة الإشارة المستلمة من الحزمة التي تعبر الجزء الداخلي من الأنبوب لحساب وعرض سرعة الكرة تلقائيا بالقرب من مخرج المدفع.
نتائج هذه الطريقة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة وتوفر عرضا رقميا فوريا لسرعات كرة البينج بونج ، مما يعزز قيمة المدفع كجهاز توضيحي. يحتوي تتبع راسم الذبذبات باستخدام إعداد حافة السكين على تصوير مرئي غني للتدفق القابل للانضغاط وموجات الصدمة المرتبطة بالمدفع. تركز هذه الطريقة على تجربة تتأثر بالعديد من العوامل الثانوية التي يمكن دراستها بشكل أكبر في بيئة معملية ، مثل احتكاك الجدار ، وتسرب الهواء حول الكرة ، وتشكيل موجات الصدمة بواسطة الكرة المتسارعة ، والتراكم السريع للضغط الناتج عن انعكاس موجات الصدمة بين الكرة والخروج المسجل ، والانفصال اللاحق للشريط قبل خروج الكرة. يظهر تتبع راسم الذبذبات التمثيلي من إطلاق SSPPC في الشكل 6. يتوافق التتبع العلوي في الشكل مع الحزمة التي تجتاز الجزء الداخلي من المدفع بالقرب من المخرج. يتوافق التتبع السفلي مع الشعاع الذي يجتاز مسار كرة البينج بونج بعد الخروج من المدفع مباشرة. يتضح انقطاع واضح في الإشارة عندما تمر الكرة وتعرقل كل حزمة. يتم تعزيز طفرات الجهد قبل مرور الكرة ، والتي يتم إدخالها عن طريق نشر موجات الصدمة ، من خلال إعداد الكشف عن حافة السكين ويمكن رؤيتها على كل أثر. تنعكس طفرات الجهد المتتالية في التتبع العلوي بسبب انعكاس موجات الصدمة داخل المدفع بين الكرة والشريط. في المقابل ، يكون كل ارتفاع في الجهد على التتبع السفلي في نفس الاتجاه لأن موجات الصدمة خارج المدفع لا تنعكس وتمر عبر الحزمة الخارجية مرة ثانية.
بالإضافة إلى التجارب التي تم تقديمها ، يمكن تصميم مشاريع متابعة للطلاب لتوفير تحكم إضافي في ظروف الاختبار أثناء إطلاق المدفع. على سبيل المثال ، يطلق SSPPC الحالي عند التمزق الطبيعي للحجاب الحاجز بعد تراكم فرق ضغط كاف بين قسمي الأنبوب. إن تطوير آلية تمزق يتحكم فيها المستخدم يبدأها المستخدم أو يتم تشغيلها تلقائيا عند ضغط السائق المطلوب من شأنه أن يسمح بمزيد من الدقة في التحكم في ظروف الاختبار. يمكن أن تهدف مشاريع المتابعة الأخرى إلى قياس سرعة كرة البينج بونج في مواضع متعددة في إطلاق واحد للمدفع لتوفير وصف أكثر اكتمالا لسرعة الكرة وتسارعها أثناء انتقالها عبر الأنبوب. تمت دراسة قياسات السرعة في PPC كدالة للموضع سابقا ، ولكن مع كل نقطة بيانات سرعة تم الحصول عليها من عمليات إطلاق منفصلة ل PPC1.
سيستمر مدفع كرة الطاولة في كونه عرضا يولد المؤامرات والفضول للجماهير من جميع الأعمار والأنواع. ستستمر فيزياء السوائل المعقدة التي يعرضها المدفع في توفير إمدادات لا حدود لها على ما يبدو من دراسات المتابعة التي يمكن التحقيق فيها في مشاريع مختبرات الفيزياء والهندسة. في الفصل الدراسي ، سيستمر في العمل كمظاهرة شعبية تحفز الإثارة والمكائد حول حجم الضغط الجوي. نتوقع أن طرق بناء SSPPC والتشخيص البصري الذي قدمناه ستعزز قيمة المدفع كجهاز توضيحي وكجهاز مفيد للتجارب المعملية المثيرة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
يتم دعم هذا العمل من قبل قسم NSF للتعليم الجامعي (جائزة # 2021157) كجزء من IUSE: برنامج EHR
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
- Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. The ping-pong cannon: A closer look. The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).
- Olson, G., et al. The role of shock waves in expansion tube accelerators. American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).
- Cockman, J.
- Ayars, E., Buchholtz, L.
- Thuecks, D. J., Demas, H. A. Modeling the effect of air-intake aperture size in the ping-pong ball cannon. American Journal of Physics. 87 (2), 136-140 (2019).
- Liepmann, H. W., Roshko, A. Elements of gas dynamics. , Wiley. New York, NY. (1957).
- Settles, S. Schlieren and shadowgraph techniques. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin, Germany. (2001).
- Geisert, T. A single mirror schlieren optical system. American Journal of Physics. 52 (5), 467 (1984).
- French, R. M., Gorrepati, V., Alcorta, E., Jackson, M. The mechanics of a ping-pong ball gun. Experimental Techniques. 32 (1), 24-30 (2008).
- French, M., Zehrung, C., Stratton, J.
- French, F., Choudhuri, R., Stratton, J., Zehrung, C., Huston, D. A modular supersonic ping-pong gun. arXiv. , (2018).
- Fredrick, C. D., et al. Complementary studies on supersonic nozzle flow: heterodyne interferometry, high-speed video shadowgraphy, and numerical simulation. WIT Transactions on Modelling and Simulation. 59, 223-234 (2015).
