Desenvolvimento de uma instalação experimental para a medição do coeficiente de restituição sob condições de vácuo

O objetivo geral desta configuração experimental é medir o coeficiente de restituição de partículas em colisão sob condições de vácuo. Este método pode contribuir para a resolução de problemas de engenharia, uma vez que o coeficiente de restituição está presente em qualquer operação de engenharia, como transporte, manuseio, armazenamento de sólidos granulares na indústria de engenharia. A principal vantagem deste método é que ele pode ser aplicado a pós finos em condições de vácuo sem acelerar a partícula quando ela entra na câmara.

Sven Drucker, um estudante de pós-graduação do meu laboratório, demonstrará o procedimento. Ele trabalha no âmbito de um projeto chamado Pardem. Para trabalhar com partículas de qualquer tamanho, primeiro remova a luva sobre a câmara de vácuo e levante a tampa superior.

Em seguida, selecione a placa de base com o material de parede desejado na câmara. Em seguida, gire a parte inferior da câmara de vácuo para o lado e deslize cuidadosamente a placa de base para a posição. Em seguida, usando uma pinça, coloque exatamente uma partícula de tamanho conhecido no centro da placa de base.

Em seguida, ajuste a posição de uma câmera de vídeo de alta velocidade montada em um tripé para que a placa de base fique no quarto mais baixo do campo visual e o foco esteja na partícula. Configure a câmera de alta velocidade para gravar 10.000 quadros por segundo com uma resolução de 528 por 396 pixels. Em seguida, faça um breve vídeo da partícula para fins de referência.

Não se esqueça de remover a partícula depois. Ao trabalhar com partículas de 700 mícrons ou mais grossas, primeiro ajuste a altura da câmara de partículas para que a velocidade de impacto desejada seja alcançada. Meça a altura usando a balança presa à placa de retenção.

Em seguida, feche a câmara de partículas com a ponta de uma pipeta. Agora, levante a tampa superior da câmara de vácuo e coloque uma única esfera dentro da câmara de partículas usando uma pinça. Este exemplo mostra uma esfera sólida.

No entanto, esferas cheias de líquido também podem ser testadas. Coloque a tampa superior na parte inferior da câmara de vácuo e conecte a tampa superior e a parte inferior da câmara de vácuo com a luva. Agora, coloque óculos de segurança antes de gerar o vácuo.

Usando a bomba, evacue a câmara até obter a pressão desejada. A pressão alvo nesta demonstração é de 0,1 milibares. Em seguida, feche a válvula na lateral da câmara e desligue a bomba.

Neste ponto, inicie a gravação do vídeo. Durante a gravação, abra o orifício da câmara de partículas para liberar a partícula e, ao mesmo tempo, puxe e gire o bastão preso à ponta da pipeta. Isso evitará problemas de deslizamento do bastão devido ao alto atrito entre o bastão e o anel selado.

Após o impacto, pare imediatamente a gravação. Apenas um número limitado de quadros pode ser salvo, e os primeiros são substituídos assim que o limite é excedido. Corte o filme no instante do impacto na tela e salve-o no cartão de memória.

Antecipe a repetição do experimento cerca de 10 vezes para obter um valor principal preciso. Ao trabalhar com partículas mais finas, use essencialmente o mesmo procedimento com algumas alterações. Coloque de 50 a 100 esferas em uma folha de papel dobrada e coloque as partículas na câmara fora do papel.

Ao puxar o bastão no início da experiência, puxe muito lentamente para evitar que todas as partículas caiam ao mesmo tempo. Ao cortar o filme, faça-o de forma que pelo menos 10 impactos claramente focados sejam visíveis. Antes de avaliar os dados, primeiro é necessário calibrar o software.

Carregue um quadro com a partícula de tamanho conhecido obtida durante a configuração. Em seguida, conte o número de pixels do diâmetro horizontal e divida a distância conhecida pelo número de pixels para obter o fator de conversão, distância por pixel. A horizontal é mais fácil de usar devido ao contraste entre a partícula e o fundo branco.

Para calcular a velocidade de impacto, defina um ponto de referência de movimento na parte superior da esfera 10 quadros antes do ponto de impacto e um segundo ponto de referência um quadro antes do impacto. Use o número de pixels entre os dois pontos e o fator de conversão para calcular a distância percorrida. Em seguida, divida a distância pelo tempo passado entre nove quadros para obter a velocidade de impacto.

Para calcular a velocidade de rebote, use pontos de referência na parte superior da esfera, um quadro após o impacto e dez quadros após o impacto. Finalmente, calcule o coeficiente de restituição, ou COR, como a razão entre a velocidade de rebote e a velocidade de impacto. Repita todas essas etapas para avaliar todos os vídeos de teste de queda gravados.

Partículas de vidro com diâmetros de 100 mícrons a quatro milímetros foram lançadas de uma altura inicial de 200 milímetros em uma placa de base de aço inoxidável com espessura de 20 milímetros. O valor médio do COR foi de cerca de 0,9 para partículas de 700 mícrons ou maiores. Esse resultado foi independente da pressão do ar.

Para partículas com diâmetro inferior a 400 mícrons, o COR foi quase constante com um valor de 0,9 em condições de vácuo. Sob pressão atmosférica, o coeficiente de restituição diminuiu com o diâmetro das partículas. Os resultados para a velocidade de impacto dependeram do tamanho da partícula e da pressão atmosférica.

Os pós finos eram muito mais lentos sob pressão atmosférica, enquanto sua velocidade de impacto diminuía apenas ligeiramente sob condições de vácuo. Os dados mostraram alguns valores discrepantes excepcionais em 700 mícrons que podem ter sido criados por uma calibração falsa. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter um bom entendimento de como medir o coeficiente de restituição em experimentos de queda livre sob condições de vácuo.

Uma vez dominado, este método pode ser feito em uma hora e meia para 10 partículas se for aplicado corretamente. Não se esqueça de que trabalhar com um cilindro de vidro em condições de vácuo é extremamente perigoso e que precauções devem sempre ser tomadas.