Summary
Vi beskriver en metode for konstruksjon av en supersonisk pingpongkanon (SSPPC) sammen med optiske diagnostiske teknikker for måling av kulehastigheter og karakterisering av forplantende sjokkbølger under avfyring av kanonen.
Abstract
Den tradisjonelle pingpongkanonen (PPC) er et pedagogisk apparat som skyter en pingpongball ned i et evakuert rør til nesten soniske hastigheter ved hjelp av atmosfærisk trykk alene. SSPPC, en forsterket versjon av PPC, oppnår supersoniske hastigheter ved å akselerere ballen med større enn atmosfærisk trykk. Vi gir instruksjoner for konstruksjon og bruk av en optimalisert PPC og SSPPC.
Optisk diagnostikk er implementert for å undersøke kanondynamikken. En HeNe-laser som sendes gjennom to akrylvinduer nær utgangen av røret, avsluttes på en fotomottakersensor. En mikroprosessor måler tiden strålen hindres av pingpongballen for automatisk å beregne ballens hastighet. Resultatene presenteres umiddelbart på en LCD-skjerm.
Et optisk knivseggoppsett gir en svært følsom måte å oppdage sjokkbølger på ved å kutte av en brøkdel av HeNe-strålen ved sensoren. Sjokkbølger forårsaker brytningsinduserte avbøyninger av strålen, som observeres som små spenningstopper i det elektriske signalet fra fotomottakeren.
Metodene som presenteres er svært reproduserbare og gir mulighet for videre undersøkelser i laboratorieinnstilling.
Introduction
PPC er en populær fysikkdemonstrasjon som brukes til å vise det enorme lufttrykket som folk kontinuerlig blir utsatt for 1,2,3,4,5. Demonstrasjonen innebærer plassering av en pingpongball i en del av røret som har en indre diameter som er omtrent lik diameteren på ballen. Røret er forseglet i hver ende med tape og evakuert til et indre trykk på mindre enn 2 Torr. Båndet på den ene enden av røret er punktert, noe som gjør at luft kan komme inn i kanonen og får ballen til å oppleve toppakselerasjoner på ca. 5000 g. Ballen, som akselereres av atmosfærisk trykk alene, går ut av kanonen med en hastighet på ca. 300 m/s etter å ha reist 2 m.
Selv om PPC vanligvis drives som en enkel demonstrasjon av atmosfærisk trykk, er det også et apparat som viser kompleks komprimerbar strømningsfysikk, noe som har resultert i mange åpne studentprosjekter. Dynamikken til ballen påvirkes av sekundære faktorer som veggfriksjon, lekkasje av luft rundt ballen og dannelsen av sjokkbølger av den akselererende ballen. Den betydelige akselerasjonen av ballen introduserer en kompresjonsbølge med stor amplitude som beveger seg nedover røret foran ballen. Disse kompresjonene beveger seg raskere enn den lokale lydhastigheten, noe som resulterer i en brattere kompresjonsbølge og til slutt dannelse av en sjokkbølge6. Tidligere arbeid har studert den raske oppbyggingen av trykk ved utgangen av røret på grunn av refleksjonene av sjokkbølgen mellom ballen og den tapede utgangen av røret og den resulterende løsningen av båndet før utgangen av ballen2. Høyhastighets video ved hjelp av en enkeltspeil schlieren imaging teknikk har avslørt responsen av båndet til reflekterende sjokkbølger og eventuell løsrivelse av båndet ved utgangen av PPC 7,8 (Video 1). Dermed fungerer PPC både som en enkel demonstrasjon av lufttrykk som intrigerer publikum i alle aldre og som en enhet som viser kompleks væskefysikk, som kan studeres i detalj i en laboratorieinnstilling.
Med standard PPC er ping-pong-ballhastighetene begrenset av lydens hastighet. Denne grunnleggende versjonen av PPC er dekket i omfanget av dette papiret, sammen med en modifisert kanon som brukes til å øke ballen til supersoniske hastigheter. I tidligere arbeid av French et al. har supersoniske pingpong-ballhastigheter blitt oppnådd ved å utnytte trykkdrevet strømning gjennom en konvergerende divergerende dyse 9,10,11. SSPPC presentert her benytter et trykksatt (driver) rør for å gi en større trykkforskjell på pingpongballen enn det som er gitt av atmosfærisk trykk alene. En tynn polyestermembran brukes til å skille førerrøret fra det evakuerte (drevne) røret som inneholder kulen. Denne membranen sprekker under tilstrekkelig gagetrykk (vanligvis 5-70 psi, avhengig av membrantykkelsen), og akselererer dermed pingpongballen til hastigheter opp til Mach 1.4. Den supersoniske pingpongkulen produserer en stående sjokkbølge, som kan sees ved hjelp av høyhastighets skyggegrafavbildningsteknikker 7,12 (Video 2).
En laveffekt (klasse II) HeNe-laser brukes til å utføre optiske diagnostiske studier på kanonens ytelse. HeNe-laserstrålen er delt inn i to baner, med en bane som krysser gjennom et sett med akrylvinduer nær utgangen av kanonen og den andre banen krysser like forbi utgangen av kanonen. Hver bane avsluttes på en fotomottaker, og signalet vises på et tokanals oscilloskop. Oscilloskopsporet registrert under kanonens avfyring avslører informasjon om både hastigheten til den akselererte pingpongballen og de komprimerbare strømnings- og sjokkbølgene som går foran utgangen av ballen fra kanonen. Hastigheten til 40 mm diameter ping-pong ball på hvert strålested er direkte relatert til tiden ballen blokkerer strålen. Et følsomt "knivkant" støtdeteksjonsoppsett oppnås ved å dekke halvparten av detektoren med et stykke svart elektrisk tape og plassere kanten av båndet i midten av strålen2. Med dette oppsettet er små avbøyninger av He-Ne-laserstrålen, produsert av den komprimerbare strømningsinduserte indeksen for brytningsgradienter, tydelig synlige som spenningstopper på oscilloskopsporet. Sjokkbølgene som beveger seg mot kanonutgangen og de reflekterte sjokkbølgene avbøyer strålen i motsatte retninger og identifiseres derfor av enten en positiv eller negativ spenningspike.
Her gir vi instruksjoner for konstruksjon og bruk av en optimalisert PPC og SSPPC, samt optiske diagnostiske teknikker (figur 1, figur 2 og figur 3). De optiske diagnostiske teknikkene og målingene er utviklet gjennom tidligere år av studie 1,2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bygging og montering av pingpongkanonen (PPC)
- Monter alle komponentene i PPC i henhold til figur 1.
- Sett inn to akrylvinduer med høy klarhet i sidene av kanonen for å tillate optisk sondering over kanonens indre.
- Bor to 1/2 i hull gjennom motsatte sider av PVC nær kanonens utgang.
- Forbered to 1/8 i tykke akrylvinduer ved hjelp av en lasergraveringsmaskin. Last ned de tre supplerende svg-filene.
MERK: Det er tre filer merket "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(Tilleggsfil 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(tilleggsfil 2) og "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
(Tilleggsfil 3). Disse tre filene bør brukes i den rekkefølgen som er angitt ved hjelp av prosessen beskrevet i tittelen (gravere/kutte). Laserhastigheten og effektinnstillingene skal stilles inn i henhold til produsentens anbefalte innstillinger for akryl. Hvert graveringstrinn skal fjerne omtrent 1/3 av tykkelsen på materialet. - Legg silikonforseglingsmiddel til kanten av akryl, vær forsiktig så du ikke får noen på vinduet. Deretter plasserer du vinduer i hullene, slik at de er vinkelrett på hverandre. La det være god tid for silikonet å herde etter denne delen av prosessen.
MERK: Hvis en laserkutter ikke er tilgjengelig, kan et stykke klar tape vikles rundt rørets omkrets for å forsegle 1/2 i hull og fungere som et vindu gjennom inn i rørets indre. Videre eksperimentering kan utføres ved å sette inn flere vinduer i kanonen for å måle hastigheten og akselerasjonen til pingpongballen langs lengden på det drevne røret.
- Ved hjelp av en beltesliper, sand av flensens ansikt ved utgangen av kanonen. Avslutt slipingen med finkornet sandpapir slik at båndet kan feste seg godt til flensen.
- Bruk en laserkutter til å klippe en akrylhette med "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (tilleggsfil 4). Fest en fyldig gummipakning til akrylhetten. Akrylhetten er en komponent i trykktetningen som brukes ved avfyring av PPC.
- Fest kanonen godt for avfyring, og plasser en solid beholder for å fange pingpongballen trygt med rikelig polstring for å minimere støtet med bakveggen på beholderen.
MERK: Det finnes mange løsninger for å sikre pingpongkanonen og fange ballen på en trygg måte. For det presenterte eksperimentet ble det opprettet et tilpasset klemmesystem for å sikre kanonen fast med horisontal orientering. Disse klemmene kan konstrueres etter "JoVE_CannonMountTemplate.png" (tilleggsfil 5).- Bruk tilleggsfil 5 som mal for å skjære ut 2 x 6 i treplanker. Koble de øvre og nedre delene av klemmesystemet med en trekklås og hengsel for å sikre kanonen.
- Line innsiden av klemmene med gummipakningsmateriale for å forhindre at kanonen glir under avfyringsprosessen. Fest de tilkoblede øvre og nedre delene av klemmesystemet til basen ved hjelp av fire hjørnebraketter.
- Monter det ferdige klemmesystemet på en bordplate ved hjelp av fire C-klemmer. Konstruer en 13 i x 13 i x 24 i kryssfinerbeholder, og tilbake den med fire 1 i kryssfinerplater for å fange pingpongballen. Plasser et dempende materiale i beholderen for å forhindre retur av ballen. Monter denne beholderen med C-klemmer på en bordplate.
2. Bygging og montering av den supersoniske pingpongkanonen (SSPPC)
- Monter alle komponentene i driverrøret etter figur 2.
MERK: Den primære forskjellen mellom PPC og SSPPC er at SSPPC er forsterket med en drivende, trykksatt seksjon av plan 80 PVC-rør som er koblet til inngangen til PPC. Derfor, hvis PPC allerede er konstruert, er alt som gjenstår å bli montert for å konstruere SSPPC driverrørseksjonen. - Fest kanonen godt for avfyring og plasser en solid beholder som trygt kan fange pingpongballen med rikelig polstring for å minimere støtet på bakveggen på beholderen.
MERK: Monterings- og fangstsystemene beskrevet i trinn 1.5 er de samme systemene som brukes til å sikre SSPPC.
3. Optisk diagnostikk
- Sett opp laseren, strålesplitteren, speilet og fotomottakerne ved å montere komponentene på en optisk brødplate, i henhold til figur 3. Orienter laseren vinkelrett på kanonen, med den første strålen som krysser rørets indre gjennom akrylvinduene og den andre passerer like utenfor kanonutgangen.
- Koble fotomottakerne og lasermodulen til en strøm på 15 V ved å koble dem til en 15 V strøm, begrenset strømforsyning og laserstrømforsyning. Koble fotomottakerne til oscilloskopets to kanaler ved hjelp av BNC-kabler.
- Plasser svart elektrisk tape over halvparten av fotomottakersensoren. Båndet fungerer som en "knivsegg" for å skape et sensitivt støtdeteksjonsoppsett.
MERK: Følsomheten til knivkantdeteksjonen kan forbedres ytterligere ved hjelp av en konvergerende linse for å fokusere strålen på knivkanten. Følsomheten kan også forbedres ved å øke avstanden strålen beveger seg til fotomottakeren, noe som resulterer i en større brytningsforskyvning av strålen. - Før du setter utløsernivået på oscilloskopet, må du være spesielt oppmerksom på å unngå klipping, noe som kan skyldes følsomheten til knivkantoppsettet. For å unngå klipping, juster bjelkens posisjon på knivkanten slik at grunnspenningen er omtrent 50% av maksimal spenning. Maksimal spenning er spenningen når fjernlyset er på den uhindrede detektoren.
- Juster innstillingene på oscilloskopet for å samle inn 20 millioner datapunkter. Sett datainnsamlingshastigheten til 500 MHz ved å justere den horisontale skalaknappen. Vri utløserknappen for å utløse ved en spenning litt under grunnlinjespenningen som er oppnådd fra fotomottakeren.
MERK: Hastigheten til pingpongballen kan bli funnet gjennom enkel matematikk ved hjelp av fotomottakermodulene. Hastigheten er diameteren på pingpongballen dividert med tiden strålen er blokkert av ballen. En mikroprosessor brukes til å behandle signalet mottatt fra den indre fotomottakermodulen for automatisk å måle hastigheten til ballen på enden av kanonen.
- Juster innstillingene på oscilloskopet for å samle inn 20 millioner datapunkter. Sett datainnsamlingshastigheten til 500 MHz ved å justere den horisontale skalaknappen. Vri utløserknappen for å utløse ved en spenning litt under grunnlinjespenningen som er oppnådd fra fotomottakeren.
4. Automatiske hastighetsmålinger
- For å bruke en mikroprosessor for automatiske hastighetsmålinger, konverter signalet fra fotomottakermodulen til en 0-5 V puls, som vist i figur 5, ved hjelp av en komparator som utløser ved omtrent 10% av grunnspenningen. Koble det konverterte signalet til port 7 på mikroprosessoren.
- Last ned "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (tilleggsfil 6), og last den opp til mikroprosessoren.
- Koble RA8875-skjermen og driverkortet til de angitte portene på mikroprosessoren.
5. Oppsett og avfyring av pingpongkanonen
- Ta på øre- og øyevern før du avfyrer kanonen.
- Sett en pingpongkule inn i utgangen av kanonen. Blås lett inn i enden av kanonen til ballen treffer vakuumbeslaget nær inngangen til røret.
- Fest en 3 i x 3 i firkant av tape på flensen i den spennende enden av kanonen og en annen firkant på akrylhetten. Forsegl båndet slik at det fester seg til overflaten av flensen og hetten.
MERK: Hvis det er rynker eller store bobler, må tapen kastes. Hvis båndet ikke fester seg tilstrekkelig til overflaten, kan vakuumet gå tapt, og kanonen kan brenne for tidlig. Hvis vakuumet på noe tidspunkt går tapt, kan nålventilen som er koblet til vakuumpumpen, åpnes for å bringe systemet til likevekt. - Forsikre deg om at laserstrålen er sentrert på knivkanten, at avtrekkeren er riktig innstilt, og at fangstbeholderen er sikker.
- Slå på vakuumpumpen for å evakuere røret til et redusert absolutt trykk på mindre enn 2 Torr. Når et tilstrekkelig vakuum er nådd, punkterer du båndet ved inngangen med en skarp gjenstand, for eksempel et bredhode eller barberspiss.
- Etter avfyring, slå av vakuumpumpen. Fjern båndet fra utgangsflensen og akrylhetten.
6. Oppsett og avfyring av den supersoniske pingpongkanonen
- For sikkerhet, bruk hørsel og øyevern gjennom hele avfyringsprosessen.
- Ark med 0,0005 tommer, 0,001 tommer og 0,002 i polyesterfilm som samsvarer med flensens dimensjoner. Disse arkene kan kuttes for hånd eller helst ved hjelp av en laserkutter. Bruk tilleggsfilen "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (tilleggsfil 7) som disposisjon.
MERK: For formålet med dette eksperimentet ble kanonen avfyrt med enkeltark på 0,0005 tommer, 0,001 tommer og 0,002 i polyesterfilm, og resultatene er registrert i figur 7. En mal for å laserkutte polyesterfilmen finnes som en SVG-fil (tilleggsfil 7). - Forsikre deg om at ventilen fra luftkompressoren til driverrøret er lukket. Fyll luftkompressoren på forhånd for å muliggjøre raskere fylling av driverrøret når kanonen er klar til å avfyres.
- Sett en pingpongkule inn i utgangen av kanonen. Blås lett inn i enden av kanonen til ballen stoppes av vakuumbeslaget nær inngangen til det drevne røret.
- Fest en 3 i x 3 i firkant av tape på den spennende enden av kanonen. Forsegl båndet slik at det fester seg til overflaten av flensen.
MERK: Hvis det er rynker eller store bobler, må tapen kastes. Hvis båndet ikke fester seg tilstrekkelig til overflaten, kan vakuumet gå tapt, og kanonen kan brenne for tidlig. Hvis vakuumlekkasjer eller andre komplikasjoner oppstår, bruk trykkavlastningsventilen på driverrøret og nålventilen på vakuumpumpen for å få systemet i balanse. - Sett inn en forhåndskuttet tynn polyestermembran mellom to gummipakninger. Plasser membranen og gummipakningene mellom føreren og de drevne delene av kanonen. Koble de to seksjonene tett sammen med 4 kamklemmer.
- Forsikre deg om at laserstrålen er sentrert på knivkanten, at avtrekkeren er riktig innstilt, og at fangstbeholderen er sikker.
- Slå på vakuumpumpen for å evakuere røret til et redusert absolutt trykk på mindre enn 2 Torr. Slipp trykket fra luftkompressoren inn i driverrøret. La trykket stige til membranen sprekker og trykkluften i førerrøret raskt fyller det evakuerte drevne røret.
- Etter at kanonen har fyrt av, slå av luftkompressoren og vakuumpumpen. Fjern den sprengte polyestermembranen og tapen fra kanonen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Her gir vi instruksjoner for konstruksjon og bruk av en PPC og en SSPPC, sammen med implementeringen av den optiske diagnostikken for sjokkkarakterisering og hastighetsmålinger. Representative eksperimentelle resultater er også gitt. De ferdige systemene til PPC og SSPPC, sammen med nødvendig tilbehør, er vist i figur 1 og figur 2. SSPPC er en forsterket versjon av PPC, hvor en drivende, trykksatt del av røret er koblet til det drevne røret til PPC. Det optiske diagnostikkoppsettet for knivseggdeteksjon av sjokkbølger og pingpong-ballhastighetsmålinger er vist i figur 3. Et eksempel på oscilloskopspor som demonstrerer effektiviteten av den optiske diagnostikken for sjokkkarakterisering og hastighetsmålinger er vist i figur 4, sammen med konseptuelle skisser som viser ballens bevegelse og de reflekterende sjokkbølgene som svarer til oscilloskopsporet. De rå og behandlede signalene mottatt av mikroprosessoren, sammen med en skildring av de LCD-viste hastighetsberegningene, er presentert i figur 5. Et representativt tokanals oscilloskopspor fra en vellykket avfyring av SSPPC er vist i figur 6. Oscilloskopsporene demonstrerer effektiviteten til knivkantoppsettet for deteksjon av sjokkbølger inne og like forbi kanonens utgang. Sporene viser også en klar avskjæring i signalet når ballen passerer, som brukes til nøyaktige ballhastighetsberegninger. Tester ble utført for avfyring av SSPPC under forskjellige membranbruddforhold. Korrelasjonen mellom pingpongkulehastighetene og SSPPC-membranbruddforholdene er plottet i figur 7.
Figur 1: Skjematisk fremstilling av standard pingpongkanon. Denne figuren viser oppsettet og utformingen av standard pingpongkanon. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Skjematisk fremstilling av den supersoniske pingpongkanonen. Denne figuren viser oppsettet og utformingen av den supersoniske pingpongkanonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Skjematisk fremstilling av oppsettet for optisk diagnosemaskinvare. Denne illustrasjonen viser oppsettet og oppsettet av komponentene for optisk diagnostisk måling. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Representativt oscilloskopspor med illustrert sjokkbølgeutbredelse. Denne figuren skildrer en forplantende sjokkbølge som reflekterer gjennom kanonens avfyringsprosess, som er representert ved en spenningsendring i forhold til tid. De fem øyeblikksbildene av kanonen skildrer retningen på sjokkforplantningen i forbindelse med ballens posisjon i kanonen. Retningen til sjokkbølgen bestemmes av en positiv eller negativ spike i signalet. Hastigheten kan måles gjennom bredden av den "firkantede" pulsen forårsaket av at ballen kutter av strålen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Mikroprosessorsignalkonvertering og visning. Her viser vi sporet av den internt følende fotomottakeren forårsaket av et typisk skudd av PPC. Pulsen forårsaket av reiseballen blir invertert av en komparator, ekstra støy fjernes og skinnes til 0 V og 5 V slik at den lett kan leses av mikroprosessoren. Bredden på den behandlede kvadratpulsen leses av mikroprosessoren og brukes til å beregne hastigheten, som deretter vises på LCD-skjermen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Representativt oscilloskopspor for avfyring av SSPPC. Tokanals oscilloskopsporet viser knivseggsignalet for bjelkene som krysser de indre (røde) og utvendige (blå) områdene nær utgangen av kanonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Avhengighet av SSPPC ping-pong ball utgangshastigheter på membranbruddforholdene. SSPPC ble avfyrt for en serie saker som brukte enkeltark på 0,0005 tommer, 0,001 tommer og 0,002 i polyesterfilm. Membrantrykkforskjellen ved ruptur ble plottet mot Mach-tallet for hvert tilfelle. Kanonen ble avfyrt åtte ganger for hver membrantykkelse, og de vertikale og horisontale feilstengene representerer standardfeilen i henholdsvis differansetrykket og Mach-tallet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Video 1: Schlieren avbildningsteknikk. Videoen avslører båndets respons på de reflekterende sjokkbølgene og den endelige løsningen av båndet ved utgangen av PPC. Vennligst klikk her for å laste ned denne videoen.
Video 2: Høyhastighets skyggegrafbildeteknikk. Den supersoniske pingpongballen produserer en stående sjokkbølge. Vennligst klikk her for å laste ned denne videoen.
Tilleggsfil 1: JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2: JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 3: JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 4: JoVE_AcrylicCap_Cut.svg Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 5: JoVE_CannonMountTemplate.png Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 6: JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 7: JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har presentert en metode for konstruksjon av en PPC og en SSPPC sammen med optisk diagnostikk for måling av kulehastigheter og for karakterisering av støtutbredelse nær utgangen av kanonen. Standard PPC er konstruert med en 2 m seksjon på 1,5 i plan 80 PVC-rør. Røret er utstyrt med flenser i hver ende, hurtigkoblingsvakuumbeslag og akrylvinduer nær utgangen for laserdiagnostikk. Et detaljert skjema over PPC er vist i figur 1. Før avfyring settes en pingpongkule inn i kanonen, og endene er forseglet. Utgangsenden er forseglet ved å feste tape direkte på flensen. I den andre enden av røret festes tape over en akrylhette med en utskjæring på 1,5, og røret forsegles med akrylhetten med en gummipakning. PPC er godt sikret, og en solid beholder er plassert for å fange pingpongballen trygt. Kanonen avfyres ved å evakuere røret til et redusert absolutt trykk på mindre enn 2 Torr og punktere kanonen med en skarp gjenstand. SSPPC er en forsterket konstruksjon av PPC som gir økte akselerasjoner og supersoniske ping-pong ballhastigheter ved å sikre en trykksatt seksjon på 4 i plan 80 PVC-rør til standard PPC. Et detaljert skjema over SSPPC er vist i figur 2. Den ene enden av det trykksatte røret er forseglet med en hette, mens den andre enden er koblet til PPC med reduksjonskobling og flens. Det trykksatte røret er utstyrt med en 1-100 psi trykkmåler, hurtigkoblingskoblinger til en luftkompressor og en sikkerhetstrykkavlastningsventil. Før avfyring settes ballen inn i kanonen og utgangsenden forsegles ved å feste tape på flensen. Deretter er føreren og de drevne seksjonene sikkert forbundet med en tynn polyestermembran og gummipakning mellom dem. SSPPC er sikret, og en solid beholder er plassert for å fange pingpongballen trygt. Etter å ha redusert trykket i det drevne røret til mindre enn 2 Torr, avfyres kanonen ved å slippe trykk fra luftkompressoren inn i førerrøret til membranen brister.
Den optiske diagnostikken på knivseggen er satt opp på en optisk brødplate med laser, strålesplitter, speil og to fotomottakere, som vist i figur 3. Laseren er orientert vinkelrett på kanonen, med en stråle som krysser rørets indre gjennom akrylvinduene og en annen stråle (fra strålesplitteren) som passerer like utenfor kanonens utgang. Intensiteten til strålene samles av to fotomottakermoduler, og signalet vises på et tokanals digitalt oscilloskop. Svart elektrisk tape er plassert på fotomottakersensorene for å blokkere omtrent halvparten av hver stråle. Båndet fungerer som en knivsegg og øker følsomheten for å oppdage små tverrgående avbøyninger produsert av sjokkbølger eller andre tetthetsvariasjoner i strømmen. Data fra fotomottakerne registreres automatisk når kanonen avfyres ved å utløse oscilloskopet når ballen krysser den første strålen. Før du setter utløsernivået på oscilloskopet, må det utvises spesiell forsiktighet for å unngå klipping, noe som kan skyldes følsomheten til knivkantsystemet. Beskjæring kan unngås ved å justere bjelkens posisjon på knivkanten slik at grunnspenningen er ca. 50% av maksimal spenning. Pingpong-ballhastighetene beregnes ved hjelp av sporene fra fotomottakermodulene. En enkel og nøyaktig beregning for hastigheten gjøres ved å dele diameteren på pingpongballen med den tiden strålen er blokkert av ballen. En mikroprosessor brukes til å behandle signalet mottatt fra strålen som krysser det indre av røret for automatisk å beregne og vise hastigheten til ballen nær utgangen av kanonen.
Resultatene av denne metoden er svært reproduserbare og gir en umiddelbar digital visning av pingpong-ballhastighetene, noe som øker verdien av kanonen som en demonstrasjonsanordning. Oscilloskopsporet ved hjelp av knivseggoppsettet inneholder en rik visuell skildring av den komprimerbare strømmen og sjokkbølgene som er forbundet med kanonen. Denne metoden fokuserer på et eksperiment som påvirkes av mange sekundære faktorer som kan studeres videre i en laboratorieinnstilling, for eksempel veggfriksjon, lekkasje av luft rundt ballen, dannelse av sjokkbølger ved den akselererende ballen, den raske oppbyggingen av trykk produsert ved refleksjon av sjokkbølger mellom ballen og den tapede utgangen, og den påfølgende løsningen av båndet før ballens utgang. Et representativt oscilloskopspor fra avfyringen av SSPPC er vist i figur 6. Det øvre sporet i figuren tilsvarer strålen som krysser det indre av kanonen nær utgangen. Det nedre sporet tilsvarer strålen som krysser pingpongballens bane like etter å ha forlatt kanonen. En klar avskjæring i signalet er tydelig når ballen passerer og hindrer hver stråle. Spenningstopper før kulepassasjen, introdusert ved å forplante sjokkbølger, forsterkes av knivkantdeteksjonsoppsettet og kan ses på hvert spor. De påfølgende spenningstoppene i det øvre sporet inverterer på grunn av refleksjonen av sjokkbølgene inne i kanonen mellom ballen og båndet. I motsetning til dette er hver spenningstopp på det nedre sporet i samme retning fordi sjokkbølgene utenfor kanonen ikke reflekterer og passerer gjennom den ytre strålen en gang til.
I tillegg til forsøkene som er presentert, kan oppfølgingsstudentprosjekter utformes for å gi ytterligere kontroll over testforholdene under avfyring av kanonen. For eksempel brenner den nåværende SSPPC ved naturlig brudd på membranen etter at en tilstrekkelig trykkforskjell bygger seg opp mellom de to rørseksjonene. Utviklingen av en brukerstyrt bruddmekanisme som initieres av brukeren eller automatisk utløses ved ønsket førertrykk, vil muliggjøre større presisjon i kontrollen av testforholdene. Andre oppfølgingsprosjekter kan være rettet mot å måle hastigheten til pingpongballen i flere posisjoner i en enkelt avfyring av kanonen for å gi en mer fullstendig beskrivelse av ballens hastighet og akselerasjon når den beveger seg nedover røret. Hastighetsmålinger i PPC som funksjon av posisjon har blitt studert tidligere, men med hvert hastighetsdatapunkt oppnådd fra separate avfyringer av PPC1.
Pingpongkanonen vil fortsette å være en demonstrasjon som genererer intriger og nysgjerrighet for publikum i alle aldre og typer. Den komplekse væskefysikken som kanonen utviser, vil fortsette å gi en tilsynelatende ubegrenset tilførsel av oppfølgingsstudier som kan undersøkes i fysikk- og ingeniørlaboratorieprosjekter. I klasserommet vil det fortsette å tjene som en populær demonstrasjon som stimulerer spenning og intriger om størrelsen på atmosfærisk trykk. Vi forventer at metodene for konstruksjon av SSPPC og den optiske diagnostikken som vi har presentert, vil øke kanonens verdi både som demonstrasjonsanordning og som et nyttig apparat for spennende laboratorieforsøk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet støttes av NSF Divisjon for grunnutdanning (pris # 2021157) som en del av IUSE: EPJ-programmet
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).
