Summary
Süpersonik bir pinpon topunun (SSPPC) yapımı için bir yöntemin, top hızlarının ölçülmesi için optik teşhis teknikleri ve topun ateşlenmesi sırasında yayılan şok dalgalarının karakterizasyonu için bir yöntem açıklıyoruz.
Abstract
Geleneksel pinpon topu (PPC), tahliye edilmiş bir borudan bir pinpon topunu yalnızca atmosferik basıncı kullanarak neredeyse sonik hızlara fırlatan bir eğitim cihazıdır. PPC'nin artırılmış bir versiyonu olan SSPPC, topu atmosferik basınçtan daha büyük bir şekilde hızlandırarak süpersonik hızlara ulaşır. Optimize edilmiş bir PPC ve SSPPC'nin yapımı ve kullanımı için talimatlar sağlıyoruz.
Optik teşhis, top dinamiklerini araştırmak amacıyla uygulanır. Borunun çıkışına yakın iki akrilik pencereden gönderilen HeNe lazer, bir fotoalıcı sensörü üzerinde sonlandırılır. Bir mikroişlemci, topun hızını otomatik olarak hesaplamak için ışının pinpon topu tarafından engellendiği zamanı ölçer. Sonuçlar hemen bir LCD ekranda sunulur.
Optik bıçak kenarı kurulumu, sensördeki HeNe ışınının bir kısmını keserek şok dalgalarını tespit etmek için son derece hassas bir araç sağlar. Şok dalgaları, fotoalıcıdan gelen elektrik sinyalinde küçük voltaj artışları olarak gözlenen ışının kırılmaya bağlı sapmalarına neden olur.
Sunulan yöntemler yüksek oranda tekrarlanabilir ve laboratuvar ortamında daha fazla araştırma fırsatı sunmaktadır.
Introduction
PPC, insanların sürekli olarak maruz kaldığı muazzam hava basıncını göstermek için kullanılan popüler bir fizik gösterisidir 1,2,3,4,5. Gösterim, bir pinpon topunun, topun çapına yaklaşık olarak eşit bir iç çapa sahip bir boru bölümüne yerleştirilmesini içerir. Boru her iki ucunda bantla kapatılır ve 2 Torr'dan daha düşük bir iç basınca tahliye edilir. Borunun bir ucundaki bant delinir, bu da havanın topa girmesine izin verir ve topun yaklaşık 5.000 g'lık tepe ivmelenmeleri yaşamasına neden olur. Sadece atmosferik basınçla hızlanan top, 2 m ilerledikten sonra yaklaşık 300 m/s hızla toptan çıkar.
PPC genellikle atmosferik basıncın basit bir gösterimi olarak çalıştırılmasına rağmen, aynı zamanda çok sayıda açık uçlu öğrenci projesiyle sonuçlanan karmaşık sıkıştırılabilir akış fiziği sergileyen bir cihazdır. Topun dinamikleri, duvar sürtünmesi, topun etrafındaki havanın sızması ve hızlanan top tarafından şok dalgalarının oluşumu gibi ikincil faktörlerden etkilenir. Topun önemli ölçüde hızlanması, topun önündeki tüpten aşağı doğru ilerleyen büyük genlikli bir sıkıştırma dalgası ortaya çıkarır. Bu sıkıştırmalar yerel ses hızından daha hızlı hareket eder, bu da sıkıştırma dalgasının dikleşmesine ve sonunda bir şok dalgası6'nın oluşmasına neden olur. Önceki çalışmalar, top ile tüpün bantlanmış çıkışı arasındaki şok dalgasının yansımaları ve topun çıkışından önce bandın ayrılması nedeniyle tüpün çıkışında hızlı basınç birikimini incelemiştir2. Tek aynalı schlieren görüntüleme tekniğini kullanan yüksek hızlı video, bandın yansıtıcı şok dalgalarına tepkisini ve PPC 7,8'in çıkışında bandın nihai olarak ayrıldığını ortaya koymuştur (Video 1). Bu nedenle, PPC hem her yaştan izleyicinin ilgisini çeken basit bir hava basıncı gösterimi hem de laboratuvar ortamında ayrıntılı olarak incelenebilen karmaşık akışkan fiziği sergileyen bir cihaz olarak hizmet vermektedir.
Standart PPC ile, pinpon topu hızları ses hızı ile sınırlıdır. PPC'nin bu temel versiyonu, topu süpersonik hızlara çıkarmak için kullanılan modifiye edilmiş bir topla birlikte bu makalenin kapsamında ele alınmıştır. French ve ark. tarafından yapılan önceki çalışmalarda, süpersonik pinpon topu hızları, yakınsak-uzaklaşan bir nozul 9,10,11'den basınca dayalı akış kullanılarak elde edilmiştir. Burada sunulan SSPPC, pinpon topu üzerinde tek başına atmosferik basınç tarafından sağlanandan daha büyük bir basınç farkı sağlamak için basınçlı (sürücü) bir boru kullanır. Sürücü borusunu, topu içeren tahliye edilmiş (tahrikli) borudan ayırmak için ince bir polyester diyafram kullanılır. Bu diyafram yeterli ölçüm basıncı altında yırtılır (diyafram kalınlığına bağlı olarak genellikle 5-70 psi), böylece pinpon topunu Mach 1.4'e kadar hızlanmak üzere hızlandırır. Süpersonik pinpon topu, yüksek hızlı gölgegraf görüntüleme teknikleri 7,12 kullanılarak görülebileceği gibi, ayakta duran bir şok dalgası üretir (Video 2).
Düşük güçlü (sınıf II) HeNe lazer, topun performansı üzerine optik teşhis çalışmaları yapmak için kullanılır. HeNe lazer ışını iki yola ayrılır, bir yol topun çıkışına yakın bir dizi akrilik pencereden geçer ve ikinci yol topun çıkışından hemen geçer. Her yol bir fotoalıcıda sona erer ve sinyal çift kanallı bir osiloskopta görüntülenir. Topun ateşlenmesi sırasında kaydedilen osiloskop izi, hem hızlandırılmış pinpon topunun hızı hem de topun toptan çıkışından önceki sıkıştırılabilir akış ve şok dalgaları hakkında bilgi verir. Her bir ışın konumundaki 40 mm çapındaki pinpon topunun hızı, topun kirişi bloke ettiği zamanla doğrudan ilgilidir. Hassas bir "bıçak kenarı" şok algılama kurulumu, dedektörün yarısını bir parça siyah elektrik bandı ile kaplayarak ve bandın kenarını ışın2'nin ortasına yerleştirerek elde edilir. Bu kurulumla, sıkıştırılabilir akışa bağlı kırılma gradyanları indeksi tarafından üretilen He-Ne lazer ışınının hafif sapmaları, osiloskop izi üzerindeki voltaj artışları olarak açıkça görülebilir. Top çıkışına doğru ilerleyen şok dalgaları ve yansıyan şok dalgaları ışını zıt yönlere saptırır ve bu nedenle pozitif veya negatif voltaj artışı ile tanımlanır.
Burada, optimize edilmiş bir PPC ve SSPPC'nin yanı sıra optik tanı tekniklerinin oluşturulması ve kullanımı için talimatlar sunuyoruz (Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3). Optik tanı teknikleri ve ölçümleri, önceki çalışma yıllarında geliştirilmiştir 1,2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Masa tenisi topunun (PPC) yapımı ve montajı
- PPC'nin tüm bileşenlerini Şekil 1'e göre birleştirin.
- Topun iç kısmında optik problamaya izin vermek için topun yanlarına iki adet yüksek netlikte akrilik pencere yerleştirin.
- Topun çıkışına yakın PVC'nin zıt taraflarından iki 1/2 delik açın.
- Bir lazer oymacı kullanarak kalın akrilik pencerelerde iki 1/8 hazırlayın. Üç ek svg dosyasını indirin.
NOT: "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg" etiketli üç dosya vardır
(Ek Dosya 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(Ek Dosya 2) ve "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
(Ek Dosya 3). Bu üç dosya, başlıkta açıklanan işlem (gravür/kesim) kullanılarak verilen sırayla kullanılmalıdır. Lazer hızı ve güç ayarları, üreticinin akrilik için önerdiği ayarlara göre ayarlanmalıdır. Her gravür adımı, malzemenin kalınlığının yaklaşık 1 / 3'ünü çıkarmalıdır. - Akriliğin kenarına silikon dolgu macunu ekleyin, pencereye herhangi bir şey almamaya dikkat edin. Ardından, pencereleri deliklere yerleştirin ve birbirlerine dik olduklarından emin olun. İşlemin bu kısmından sonra silikonun kürlenmesi için yeterli zaman bırakın.
NOT: Bir lazer kesici mevcut değilse, 1/2'yi deliklerde kapatmak ve borunun iç kısmına bir pencere görevi görmek için borunun çevresine bir parça şeffaf bant sarılabilir. Ping-pong topunun tahrik borusunun uzunluğu boyunca hızını ve ivmesini ölçmek için topa ek pencereler yerleştirilerek daha fazla deney yapılabilir.
- Bir kemer zımpara makinesi kullanarak, topun çıkışındaki flanşın yüzünü zımparalayın. İnce kumlu zımpara kağıdı ile zımparalamayı bitirin, böylece bant flanşa iyi yapışabilir.
- Bir lazer kesici kullanarak, "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (Ek Dosya 4) 'den sonra akrilik bir kapağı kesin. Akrilik kapağa tam yüzlü bir kauçuk conta takın. Akrilik kapak, PPC'yi ateşlerken kullanılan basınç contasının bir bileşenidir.
- Topu ateşleme için sıkıca sabitleyin ve kabın arka duvarıyla olan etkiyi en aza indirmek için pinpon topunu geniş dolgulu güvenli bir şekilde yakalamak için sağlam bir kabı konumlandırın.
NOT: Masa tenisi topunu sabitlemek ve topu güvenli bir şekilde yakalamak için birçok çözüm vardır. Sunulan deney için, topu yatay bir yönelimle sıkıca sabitlemek için özel bir sıkıştırma sistemi oluşturuldu. Bu kelepçeler "JoVE_CannonMountTemplate.png" (Ek Dosya 5) sonrasında oluşturulabilir.- Ahşap plakalarda 2 inç x 6 kesmek için Ek Dosya 5'i şablon olarak kullanın. Topu sabitlemek için sıkma sisteminin üst ve alt kısımlarını bir çekme mandalı ve menteşe ile bağlayın.
- Ateşleme işlemi sırasında topun kaymasını önlemek için kelepçelerin iç kısımlarını lastik conta malzemesi ile hizalayın. Sıkıştırma sisteminin bağlı üst ve alt kısımlarını dört köşe braketi kullanarak tabana takın.
- Tamamlanan sıkıştırma sistemini dört C kelepçesi kullanarak bir masa üstüne monte edin. Kontrplak kapta 13 inç x 13 x 24 inç inç bir kontrplak kap inşa edin ve pinpon topunu yakalamak için kontrplak levhalarda dört 1 ile geri alın. Top geri tepmelerini önlemek için kabın içine bir yastıklama malzemesi yerleştirin. Bu kabı C-kelepçeli bir masa üstüne monte edin.
2. Süpersonik pinpon topunun (SSPPC) inşası ve montajı
- Sürücü borusunun tüm bileşenlerini Şekil 2'yi izleyerek birleştirin.
NOT: PPC ve SSPPC arasındaki temel fark, SSPPC'nin, PPC'nin girişine bağlı olan program 80 PVC borunun tahrik, basınçlı bir bölümü ile arttırılmasıdır. Bu nedenle, PPC zaten inşa edilmişse, SSPPC'yi inşa etmek için monte edilmesi gereken tek şey sürücü borusu bölümüdür. - Topu ateşleme için sıkıca sabitleyin ve kabın arka duvarındaki etkiyi en aza indirmek için pinpon topunu geniş dolgulu güvenli bir şekilde yakalayabilen sağlam bir kabı konumlandırın.
NOT: Adım 1.5'te açıklanan montaj ve yakalama sistemleri, SSPPC'yi sabitlemek için kullanılan sistemlerle aynıdır.
3. Optik teşhis
- Lazer, ışın ayırıcı, ayna ve fotoalıcıları, bileşenleri optik bir breadboard üzerine monte ederek Şekil 3'e göre ayarlayın. Lazeri topa dik olarak yönlendirin, ilk ışın borunun içini akrilik pencerelerden geçirirken ikincisi top çıkışının hemen dışından geçer.
- Foto alıcıları ve lazer modülünü 15 V akım sınırlı güç kaynağına ve lazer güç kaynağına bağlayarak güçlendirin. BNC kablolarını kullanarak fotoalıcıları osiloskopun iki kanalına bağlayın.
- Fotoalıcı sensörünün yarısına siyah elektrik bandı yerleştirin. Bant, hassas bir şok algılama ayarı oluşturmak için bir "bıçak kenarı" görevi görür.
NOT: Bıçak kenarı algılamanın hassasiyeti, kirişi bıçak kenarına odaklamak için yakınsak bir lens kullanılarak daha da artırılabilir. Hassasiyet, ışının fotoalıcıya kat ettiği mesafeyi artırarak da arttırılabilir, bu da ışının daha büyük bir kırılma yer değiştirmesine neden olur. - Osiloskopta tetik seviyesini ayarlamadan önce, bıçak kenarı kurulumunun hassasiyetinden kaynaklanabilecek kırpmayı önlemek için özellikle dikkat edin. Kırpmayı önlemek için, kirişin bıçak kenarındaki konumunu, taban çizgisi voltajı maksimum voltajın yaklaşık% 50'si olacak şekilde ayarlayın. Maksimum voltaj, tam ışın engelsiz dedektör üzerindeyken voltajdır.
- 20 milyon veri noktası toplamak için osiloskop üzerindeki ayarları yapın. Yatay ölçek düğmesini ayarlayarak veri toplama hızını 500 MHz'ye ayarlayın. Fotoalıcıdan alınan taban çizgisi voltajının biraz altındaki bir voltaja takılmak için tetik düğmesini çevirin.
NOT: Masa tenisi topunun hızı, fotoalıcı modülleri kullanılarak basit matematikle bulunabilir. Hız, pinpon topunun çapının, kirişin top tarafından engellendiği zamana bölünmesiyle elde edilir. Topun sonundaki topun hızını otomatik olarak ölçmek için iç fotoalıcı modülünden alınan sinyali işlemek için bir mikroişlemci kullanılır.
- 20 milyon veri noktası toplamak için osiloskop üzerindeki ayarları yapın. Yatay ölçek düğmesini ayarlayarak veri toplama hızını 500 MHz'ye ayarlayın. Fotoalıcıdan alınan taban çizgisi voltajının biraz altındaki bir voltaja takılmak için tetik düğmesini çevirin.
4. Otomatik hız ölçümleri
- Otomatik hız ölçümleri için bir mikroişlemci kullanmak üzere, başlangıç voltajının yaklaşık% 10'unda tetiklenen bir karşılaştırıcı kullanarak, fotoalıcı modülünden gelen sinyali Şekil 5'te gösterildiği gibi 0-5 V darbeye dönüştürün. Dönüştürülen sinyali mikroişlemcinin 7 numaralı bağlantı noktasına bağlayın.
- "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" dosyasını indirin (Ek Dosya 6) ve mikroişlemciye yükleyin.
- RA8875 ekranını ve sürücü kartını mikroişlemci üzerinde belirtilen bağlantı noktalarına bağlayın.
5. Masa tenisi topunun kurulumu ve ateşlenmesi
- Topu ateşlemeden önce kulak ve göz koruması takın.
- Topun çıkışına bir pinpon topu yerleştirin. Top, borunun girişine yakın vakum armatürüne çarpana kadar topun ucuna hafifçe üfleyin.
- Topun çıkış ucundaki flanşa 3 inç x 3 kare bant ve akrilik kapağın üzerine ikinci bir kare sabitleyin. Bandı, flanş ve kapağın yüzeyine yapışacak şekilde kapatın.
NOT: Herhangi bir kırışıklık veya büyük kabarcıklar varsa, bandın atılması gerekir. Bant yüzeye yeterince yapışmazsa, vakum kaybolabilir ve top erken ateşlenebilir. Herhangi bir noktada vakum kaybolursa, sistemi dengeye getirmek için vakum pompasına bağlı iğne valfi açılabilir. - Lazer ışınının bıçak kenarına ortalandığından, tetiğin uygun şekilde ayarlandığından ve yakalama kabının güvenli olduğundan emin olun.
- Boruyu 2 Torr'dan daha düşük bir mutlak basınca tahliye etmek için vakum pompasını açın. Yeterli bir vakuma ulaşıldıktan sonra, girişteki bandı geniş başlı veya jiletli uç gibi keskin bir nesneyle delin.
- Ateşledikten sonra vakum pompasını kapatın. Bandı çıkış flanşından ve akrilik kapaktan çıkarın.
6. Süpersonik pinpon topunun kurulumu ve ateşlenmesi
- Güvenlik için, ateşleme işlemi boyunca işitme ve göz koruması kullanın.
- Flanşın boyutlarına uyan 0,0005 inç, 0,001 inç ve 0,002 inç polyester film tabakalarını kesin. Bu tabakalar elle veya tercihen bir lazer kesici kullanılarak kesilebilir. Anahat olarak "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" ek dosyasını (Ek Dosya 7) kullanın.
NOT: Bu deneyin amacı doğrultusunda, top polyester filmde 0.0005 inç, 0.001 inç ve 0.002 tek tabaka ile ateşlenmiştir ve sonuçlar Şekil 7'de kaydedilmiştir. Polyester filmi lazerle kesmek için bir şablon SVG dosyası olarak bulunabilir (Ek Dosya 7). - Hava kompresöründen sürücü borusuna giden valfin kapalı olduğundan emin olun. Top ateşlenmeye hazır olduğunda sürücü borusunun daha hızlı doldurulmasını sağlamak için hava kompresörünü önceden doldurun.
- Topun çıkışına bir pinpon topu yerleştirin. Top, tahrik borusunun girişine yakın vakum bağlantısı tarafından durdurulana kadar topun ucuna hafifçe üfleyin.
- Topun çıkış ucuna 3 inç x 3 kare bant sabitleyin. Bandı, flanşın yüzeyine yapışacak şekilde kapatın.
NOT: Herhangi bir kırışıklık veya büyük kabarcıklar varsa, bandın atılması gerekir. Bant yüzeye yeterince yapışmazsa, vakum kaybolabilir ve top erken ateşlenebilir. Vakum sızıntıları veya başka komplikasyonlar ortaya çıkarsa, sistemi dengeye getirmek için sürücü borusundaki basınç tahliye valfini ve vakum pompasındaki iğne valfini kullanın. - İki kauçuk contanın arasına önceden kesilmiş ince polyester diyafram yerleştirin. Diyaframı ve lastik contaları sürücü ile topun tahrikli bölümleri arasına yerleştirin. 4 kam kelepçesi kullanarak iki bölümü sıkıca bağlayın.
- Lazer ışınının bıçak kenarına ortalandığından, tetiğin uygun şekilde ayarlandığından ve yakalama kabının güvenli olduğundan emin olun.
- Boruyu 2 Torr'dan daha düşük bir mutlak basınca tahliye etmek için vakum pompasını açın. Hava kompresöründen gelen basıncı sürücü borusuna bırakın. Diyafram patlayana ve sürücü borusu içindeki basınçlı hava tahliye edilen tahrikli boruyu hızla doldurana kadar basıncın yükselmesine izin verin.
- Top ateşlendikten sonra, hava kompresörünü ve vakum pompasını kapatın. Patlama polyester diyaframı ve bandı toptan çıkarın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Burada, bir PPC ve bir SSPPC'nin inşası ve kullanımı ile şok karakterizasyonu ve hız ölçümleri için optik teşhisin uygulanması için talimatlar sunuyoruz. Temsili deneysel sonuçlar da verilmektedir. PPC ve SSPPC'nin tamamlanan sistemleri, gerekli aksesuarlarla birlikte Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterilmiştir. SSPPC, borunun tahrik edilen borusuna tahrikli, basınçlı bir bölümünün bağlandığı PPC'nin artırılmış bir versiyonudur. Şok dalgalarının bıçak sırtı tespiti ve pinpon topu hız ölçümleri için optik teşhis kurulumu Şekil 3'te gösterilmiştir. Şok karakterizasyonu ve hız ölçümleri için optik teşhisin etkinliğini gösteren örnek bir osiloskop izi, topun hareketini ve osiloskop izine karşılık gelen yansıtıcı şok dalgalarını gösteren kavramsal çizimlerle birlikte Şekil 4'te gösterilmiştir. Mikroişlemci tarafından alınan ham ve işlenmiş sinyaller, LCD ile görüntülenen hız hesaplamalarının bir tasviri ile birlikte Şekil 5'te sunulmuştur. SSPPC'nin başarılı bir şekilde ateşlenmesinden elde edilen temsili bir çift kanallı osiloskop izi Şekil 6'da gösterilmiştir. Osiloskop izleri, bıçak kenarı kurulumunun topun içindeki ve çıkışının hemen ötesindeki şok dalgalarının tespiti için etkinliğini göstermektedir. İzler ayrıca top geçerken sinyalde net bir kesim gösterir ve bu da doğru top hızı hesaplamaları için kullanılır. SSPPC'nin farklı diyafram kopma koşulları altında ateşlenmesi için testler yapılmıştır. Masa tenisi topu hızları ile SSPPC diyafram kopma koşulları arasındaki korelasyon Şekil 7'de çizilmiştir.
Resim 1: Standart pinpon topunun şeması. Bu şekil standart pinpon topunun kurulumunu ve düzenini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 2: Süpersonik pinpon topunun şeması. Bu şekil süpersonik pinpon topunun kurulumunu ve düzenini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Optik tanılama donanım kurulumunun şeması. Bu şekil, optik tanılama ölçümü için bileşenlerin kurulumunu ve düzenini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Resimli şok dalgası yayılımı ile temsili osiloskop izi. Bu şekil, topun ateşleme süreci boyunca yansıyan ve zamana göre voltajdaki bir değişiklikle temsil edilen yayılan bir şok dalgasını göstermektedir. Topun beş anlık görüntüsü, topun toptaki konumu ile bağlantılı olarak şok yayılımının yönünü tasvir eder. Şok dalgasının yönü, sinyaldeki pozitif veya negatif bir ani artışla belirlenir. Hız, topun kirişi kesmesinden kaynaklanan "kare" darbenin genişliği ile ölçülebilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Mikroişlemci sinyal dönüşümü ve gösterimi. Burada, PPC'nin tipik bir çekiminin neden olduğu dahili olarak algılayan fotoalıcının izini gösteriyoruz. Hareket eden topun neden olduğu darbe bir karşılaştırıcı tarafından ters çevrilir, ekstra gürültü giderilir ve mikroişlemci tarafından kolayca okunabilmesi için 0 V ve 5 V'a raylanır. İşlenen kare darbenin genişliği mikroişlemci tarafından okunur ve daha sonra LCD'de görüntülenen hızı hesaplamak için kullanılır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 6: SSPPC'nin ateşlenmesi için temsili osiloskop izi. Çift kanallı osiloskop izi, topun çıkışına yakın iç (kırmızı) ve dış (mavi) bölgelerden geçen kirişler için bıçak kenarı sinyalini gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: SSPPC pinpon topu çıkış hızlarının diyafram kopma koşullarına bağımlılığı. SSPPC, polyester filmde 0.0005 inç, 0.001 inç ve 0.002 tek tabaka kullanan bir dizi vaka için ateşlendi. Kopma üzerine membran basınç farkı, her vaka için Mach sayısına karşı çizildi. Top her diyafram kalınlığı için sekiz kez ateşlendi ve dikey ve yatay hata çubukları sırasıyla diferansiyel basınç ve Mach sayısındaki standart hatayı temsil ediyor. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Video 1: Schlieren görüntüleme tekniği. Video, bandın yansıtıcı şok dalgalarına tepkisini ve PPC'nin çıkışında bandın nihai olarak ayrılmasını ortaya koymaktadır. Bu Videoyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Video 2: Yüksek hızlı gölgegraf görüntüleme tekniği. Süpersonik pinpon topu ayakta duran bir şok dalgası üretir. Bu Videoyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1: JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 2: JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 3: JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 4: JoVE_AcrylicCap_Cut.svg Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 5: JoVE_CannonMountTemplate.png Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 6: JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 7: JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Top hızlarının ölçümü ve topun çıkışına yakın şok yayılımının karakterizasyonu için optik teşhis ile birlikte bir PPC ve bir SSPPC'nin inşası için bir yöntem sunduk. Standart PPC, 80 PVC boru çizelgesinde 1,5'lik 2 m'lik bir kesit ile inşa edilmiştir. Boru, her iki ucunda flanşlar, hızlı bağlanan vakum bağlantı parçaları ve lazer teşhisi için çıkışın yakınında akrilik pencerelerle donatılmıştır. PPC'nin ayrıntılı bir şeması Şekil 1'de gösterilmiştir. Ateş etmeden önce, topun içine bir pinpon topu yerleştirilir ve uçları kapatılır. Çıkış ucu, bandı doğrudan flanşın üzerine sabitleyerek kapatılır. Borunun diğer ucunda, bant 1.5 inç kesikli akrilik bir kapağın üzerine sabitlenir ve boru, kauçuk contalı akrilik kapak kullanılarak kapatılır. PPC sıkıca sabitlenmiştir ve pinpon topunu güvenli bir şekilde yakalamak için sağlam bir kap yerleştirilmiştir. Top, boruyu 2 Torr'dan daha düşük bir mutlak basınca tahliye ederek ve topu keskin bir nesneyle delerek ateşlenir. SSPPC, standart PPC'ye program 80 PVC boruda basınçlı bir 4 bölümünü sabitleyerek artan ivmelenmeler ve süpersonik pinpon topu hızları üreten PPC'nin artırılmış bir yapısıdır. SSPPC'nin ayrıntılı bir şeması Şekil 2'de gösterilmiştir. Basınçlı borunun bir ucu bir kapakla kapatılırken, diğer ucu PPC'ye bir redüktör kaplin ve flanş ile bağlanır. Basınçlı boru, 1-100 psi basınç göstergesi, bir hava kompresörüne hızlı bağlantı parçaları ve bir emniyet basınç tahliye valfi ile donatılmıştır. Ateş etmeden önce, top topun içine yerleştirilir ve çıkış ucu flanş üzerine bant sabitlenerek kapatılır. Daha sonra, sürücü ve tahrikli bölümler ince bir polyester diyafram ve aralarında kauçuk conta ile güvenli bir şekilde bağlanır. SSPPC sabitlenir ve pinpon topunu güvenli bir şekilde yakalamak için sağlam bir kap yerleştirilir. Tahrik borusundaki basıncı 2 Torr'un altına düşürdükten sonra, diyafram patlayana kadar hava kompresöründen sürücü borusuna basınç bırakılarak top ateşlenir.
Bıçak ucu optik tanılama, Şekil 3'te gösterildiği gibi bir lazer, ışın ayırıcı, ayna ve iki fotoalıcı içeren bir optik breadboard üzerine kurulur. Lazer, topa dik olarak yönlendirilir, bir ışın borunun içini akrilik pencerelerden geçirir ve başka bir ışın (ışın ayırıcıdan) topun çıkışının hemen ötesine geçer. Işınların yoğunlukları iki fotoalıcı modülü tarafından toplanır ve sinyal iki kanallı bir dijital osiloskopta görüntülenir. Her bir ışının yaklaşık yarısını engellemek için fotoalıcı sensörlerine siyah elektrik bandı yerleştirilir. Bant bir bıçak kenarı görevi görür ve şok dalgaları veya akıştaki diğer yoğunluk değişimleri tarafından üretilen küçük enine sapmaları tespit etmek için hassasiyeti arttırır. Fotoalıcılardan gelen veriler, top ilk ışından geçtiğinde osiloskop tetiklenerek top ateşlendiğinde otomatik olarak kaydedilir. Osiloskopta tetik seviyesini ayarlamadan önce, bıçak kenarı sisteminin hassasiyetinden kaynaklanabilecek kırpmayı önlemek için özel dikkat gösterilmelidir. Kirişin bıçak kenarındaki konumunu, taban çizgisi voltajı maksimum voltajın yaklaşık% 50'si olacak şekilde ayarlayarak kırpma önlenebilir. Ping-pong topu hızları, fotoalıcı modüllerden gelen izler kullanılarak hesaplanır. Hız için basit ve doğru bir hesaplama, pinpon topunun çapının, kirişin top tarafından engellendiği zamana bölünmesiyle yapılır. Topun çıkışına yakın topun hızını otomatik olarak hesaplamak ve görüntülemek için borunun içinden geçen ışından alınan sinyali işlemek için bir mikroişlemci kullanılır.
Bu yöntemin sonuçları oldukça tekrarlanabilir ve pinpon topu hızlarının anında dijital olarak görüntülenmesini sağlayarak topun bir gösteri cihazı olarak değerini arttırır. Bıçak kenarı düzeneğini kullanan osiloskop izi, sıkıştırılabilir akışın ve topla ilişkili şok dalgalarının zengin bir görsel tasvirini içerir. Bu yöntem, duvar sürtünmesi, topun etrafındaki havanın sızması, hızlanan top tarafından şok dalgalarının oluşumu, top ile bantlanmış çıkış arasındaki şok dalgalarının yansımasıyla üretilen basıncın hızlı bir şekilde birikmesi gibi laboratuvar ortamında daha fazla çalışılabilecek birçok ikincil faktörden etkilenen bir deneye odaklanır. ve topun çıkışından önce bandın daha sonra ayrılması. SSPPC'nin ateşlenmesinden kaynaklanan temsili bir osiloskop izi Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekildeki üst iz, çıkışa yakın topun içini geçen kirişe karşılık gelir. Alt iz, topun çıkışından hemen sonra pinpon topunun yolundan geçen kirişe karşılık gelir. Sinyaldeki net bir kesik, top geçerken ve her bir ışını engellediğinde belirgindir. Şok dalgalarının yayılmasıyla ortaya çıkan top geçişinden önceki voltaj artışları, bıçak kenarı algılama kurulumu ile geliştirilmiştir ve her iz üzerinde görülebilir. Üst izdeki ardışık voltaj artışları, topun içindeki şok dalgalarının top ile bant arasındaki yansıması nedeniyle tersine döner. Buna karşılık, alt izdeki her voltaj artışı aynı yöndedir, çünkü topun dışındaki şok dalgaları dış kirişi ikinci kez yansıtmaz ve geçmez.
Sunulan deneylere ek olarak, topun ateşlenmesi sırasında test koşulları üzerinde ek kontrol sağlamak için takip eden öğrenci projeleri tasarlanabilir. Örneğin, mevcut SSPPC, borunun iki bölümü arasında yeterli bir basınç farkı oluştuktan sonra diyaframın doğal kopması üzerine ateşlenir. Kullanıcı tarafından başlatılan veya istenen sürücü basıncında otomatik olarak tetiklenen kullanıcı kontrollü bir kopma mekanizmasının geliştirilmesi, test koşullarının kontrolünde daha fazla hassasiyet sağlayacaktır. Diğer takip projeleri, pinpon topunun hızını, topun tek bir atışında birden fazla pozisyonda ölçmeyi ve topun borudan aşağı inerken hızının ve ivmesinin daha eksiksiz bir tanımını sağlamayı amaçlayabilir. PPC'deki hız ölçümleri pozisyonun bir fonksiyonu olarak daha önce çalışılmıştır, ancak PPC1'in ayrı ateşlemelerinden elde edilen her hız veri noktasıyla.
Masa tenisi topu, her yaştan ve türden izleyici için entrika ve merak yaratan bir gösteri olmaya devam edecek. Topun sergilediği karmaşık akışkanlar fiziği, fizik ve mühendislik laboratuvarı projelerinde araştırılabilecek görünüşte sınırsız bir takip çalışması kaynağı sağlamaya devam edecektir. Sınıfta, atmosferik basıncın büyüklüğü hakkında heyecan ve entrika uyandıran popüler bir gösteri olarak hizmet vermeye devam edecektir. SSPPC'nin yapım yöntemlerinin ve sunduğumuz optik teşhisin, hem bir gösteri cihazı hem de heyecan verici laboratuvar deneyleri için yararlı bir aparat olarak topun değerini artıracağını tahmin ediyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, IUSE: EHR programının bir parçası olarak NSF Lisans Eğitimi Bölümü (ödül # 2021157) tarafından desteklenmektedir.
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).
