सुपरसोनिक पिंग-पोंग तोप के उच्च गति ऑप्टिकल निदान
Summary
हम गेंद के वेगों के मापन के लिए ऑप्टिकल नैदानिक तकनीकों और तोप की फायरिंग के दौरान शॉक तरंगों के प्रचार के लक्षण वर्णन के साथ-साथ सुपरसोनिक पिंग-पोंग तोप (एसएसपीपीसी) के निर्माण के लिए एक विधि का वर्णन करते हैं।
Abstract
पारंपरिक पिंग-पोंग तोप (पीपीसी) एक शैक्षिक उपकरण है जो अकेले वायुमंडलीय दबाव का उपयोग करके लगभग सोनिक गति तक एक खाली पाइप के नीचे एक पिंग-पोंग बॉल लॉन्च करता है। एसपीपीसी, पीपीसी का एक संवर्धित संस्करण, वायुमंडलीय दबाव से अधिक के साथ गेंद को तेज करके सुपरसोनिक गति प्राप्त करता है। हम एक अनुकूलित पीपीसी और एसएसपीपीसी के निर्माण और उपयोग के लिए निर्देश प्रदान करते हैं।
ऑप्टिकल डायग्नोस्टिक्स तोप गतिशीलता की जांच के उद्देश्य से लागू किए जाते हैं। पाइप के निकास के पास दो ऐक्रेलिक खिड़कियों के माध्यम से भेजे जाने वाले एक हेन लेजर को एक फोटोरिसीवर सेंसर पर समाप्त कर दिया जाता है। एक माइक्रोप्रोसेसर उस समय को मापता है जब बीम पिंग-पोंग बॉल द्वारा स्वचालित रूप से गेंद के वेग की गणना करने के लिए बाधित होता है। परिणाम तुरंत एक एलसीडी डिस्प्ले पर प्रस्तुत किए जाते हैं।
एक ऑप्टिकल नाइफ-एज सेटअप सेंसर पर हेन बीम के एक अंश को काटकर शॉक तरंगों का पता लगाने का एक अत्यधिक संवेदनशील साधन प्रदान करता है। शॉक तरंगें बीम के अपवर्तन-प्रेरित विक्षेपण का कारण बनती हैं, जिन्हें फोटोरिसीवर से विद्युत संकेत में छोटे वोल्टेज स्पाइक्स के रूप में देखा जाता है।
प्रस्तुत विधियां अत्यधिक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य हैं और प्रयोगशाला सेटिंग में आगे की जांच के लिए अवसर प्रदान करती हैं।
Introduction
पीपीसी एक लोकप्रिय भौतिकी प्रदर्शन है जिसका उपयोग अत्यधिक हवा के दबाव को दिखाने के लिए किया जाता है जिसके लिए लोग लगातार 1,2,3,4,5 उजागर होते हैं। प्रदर्शन में पाइप के एक खंड में एक पिंग-पोंग बॉल का प्लेसमेंट शामिल है जिसमें एक आंतरिक व्यास होता है जो गेंद के व्यास के लगभग बराबर होता है। पाइप को टेप के साथ प्रत्येक छोर पर सील कर दिया जाता है और 2 टॉर से कम के आंतरिक दबाव में खाली कर दिया जाता है। पाइप के एक छोर पर टेप पंचर हो जाता है, जो हवा को तोप में प्रवेश करने की अनुमति देता है और गेंद को लगभग 5,000 ग्राम के शिखर त्वरण का अनुभव करने का कारण बनता है। गेंद, जो अकेले वायुमंडलीय दबाव से तेज होती है, 2 मीटर की यात्रा के बाद लगभग 300 मीटर / सेकंड की गति से तोप से बाहर निकलती है।
यद्यपि पीपीसी को आमतौर पर वायुमंडलीय दबाव के एक सरल प्रदर्शन के रूप में संचालित किया जाता है, यह एक उपकरण भी है जो जटिल संपीड़ित प्रवाह भौतिकी प्रदर्शित करता है, जिसके परिणामस्वरूप कई ओपन-एंडेड छात्र परियोजनाएं हुई हैं। गेंद की गतिशीलता द्वितीयक कारकों से प्रभावित होती है जैसे कि दीवार घर्षण, गेंद के चारों ओर हवा का रिसाव, और तेज गेंद द्वारा शॉक तरंगों का गठन। गेंद का पर्याप्त त्वरण एक बड़े आयाम संपीड़न तरंग का परिचय देता है जो गेंद के सामने ट्यूब के नीचे यात्रा करता है। ये संपीड़न स्थानीय ध्वनि की गति से तेजी से यात्रा करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप संपीड़न तरंग का झुकाव होता है और अंततः शॉक वेव 6 का गठनहोता है। पिछले काम ने गेंद के बीच शॉक वेव के प्रतिबिंब और ट्यूब के टेप किए गए निकास के कारण ट्यूब के निकास पर दबाव के तेजी से निर्माण और गेंद2 के बाहर निकलने से पहले टेप की परिणामस्वरूप टुकड़ी का अध्ययन किया है। सिंगल-मिरर स्क्लिरेन इमेजिंग तकनीक का उपयोग करके हाई-स्पीड वीडियो ने पीपीसी 7,8 (वीडियो 1) के निकास पर रिफ्लेक्टिंग शॉक तरंगों और टेप के अंतिम अलगाव के लिए टेप की प्रतिक्रिया का खुलासा किया है। इस प्रकार, पीपीसी हवा के दबाव के एक सरल प्रदर्शन के रूप में कार्य करता है जो सभी उम्र के दर्शकों को आकर्षित करता है और जटिल द्रव भौतिकी का प्रदर्शन करने वाले उपकरण के रूप में, जिसे प्रयोगशाला सेटिंग में बहुत विस्तार से अध्ययन किया जा सकता है।
मानक पीपीसी के साथ, पिंग-पोंग बॉल की गति ध्वनि की गति से सीमित होती है। पीपीसी का यह मूल संस्करण इस पेपर के दायरे में कवर किया गया है, साथ ही गेंद को सुपरसोनिक गति तक बढ़ाने के लिए उपयोग की जाने वाली एक संशोधित तोप के साथ। फ्रेंच एट अल द्वारा पिछले काम में, सुपरसोनिक पिंग-पोंग बॉल गति को एक अभिसरण-विचलन नोजल 9,10,11 के माध्यम से दबाव-संचालित प्रवाह का उपयोग करके प्राप्त किया गया है। यहां प्रस्तुत एसएसपीपीसी अकेले वायुमंडलीय दबाव द्वारा प्रदान की गई तुलना में पिंग-पोंग बॉल पर एक बड़ा दबाव अंतर प्रदान करने के लिए एक दबाव (ड्राइवर) पाइप का उपयोग करता है। एक पतली पॉलिएस्टर डायाफ्राम का उपयोग ड्राइवर पाइप को बॉल युक्त खाली (संचालित) पाइप से अलग करने के लिए किया जाता है। यह डायाफ्राम पर्याप्त गेज दबाव (आमतौर पर 5-70 पीएसआई, डायाफ्राम मोटाई के आधार पर) के तहत टूट जाता है, इस प्रकार पिंग-पोंग बॉल को मैक 1.4 तक गति देता है। सुपरसोनिक पिंग-पोंग बॉल एक स्थायी शॉक वेव पैदा करती है, जैसा कि हाई-स्पीड शैडोग्राफ इमेजिंग तकनीक 7,12 (वीडियो 2) का उपयोग करके देखा जा सकता है।
तोप के प्रदर्शन पर ऑप्टिकल नैदानिक अध्ययन करने के लिए एक कम शक्ति (वर्ग द्वितीय) हेने लेजर का उपयोग किया जाता है। हेन लेजर बीम को दो रास्तों में विभाजित किया गया है, जिसमें एक पथ तोप के निकास के पास ऐक्रेलिक खिड़कियों के एक सेट से गुजरता है और दूसरा पथ तोप के निकास के ठीक पीछे से गुजरता है। प्रत्येक पथ एक फोटोरिसीवर पर समाप्त होता है, और सिग्नल एक दोहरे चैनल ऑसिलोस्कोप पर प्रदर्शित होता है। तोप की फायरिंग के दौरान दर्ज किए गए ऑसिलोस्कोप ट्रेस से त्वरित पिंग-पोंग बॉल की गति और संपीड़ित प्रवाह और शॉक तरंगों दोनों के बारे में जानकारी मिलती है जो तोप से गेंद के बाहर निकलने से पहले होती हैं। प्रत्येक बीम स्थान पर 40 मिमी व्यास पिंग-पोंग बॉल की गति सीधे उस समय से संबंधित होती है जब गेंद बीम को अवरुद्ध करती है। एक संवेदनशील “चाकू-एज” शॉक डिटेक्शन सेटअप डिटेक्टर के आधे हिस्से को काले विद्युत टेप के टुकड़े के साथ कवर करके और बीम2 के केंद्र में टेप के किनारे को रखकर प्राप्त किया जाता है। इस सेटअप के साथ, अपवर्तन ग्रेडिएंट के संपीड़ित प्रवाह-प्रेरित सूचकांक द्वारा निर्मित हे-ने लेजर बीम के मामूली विक्षेपण, ऑसिलोस्कोप ट्रेस पर वोल्टेज स्पाइक्स के रूप में स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं। तोप के बाहर निकलने की ओर यात्रा करने वाली शॉक तरंगें और परावर्तित शॉक तरंगें बीम को विपरीत दिशाओं में विक्षेपित करती हैं और इसलिए, सकारात्मक या नकारात्मक वोल्टेज स्पाइक द्वारा पहचानी जाती हैं।
यहां, हम एक अनुकूलित पीपीसी और एसएसपीपीसी के निर्माण और उपयोग के साथ-साथ ऑप्टिकल नैदानिक तकनीकों (चित्रा 1, चित्रा 2 और चित्रा 3) के लिए निर्देश प्रदान करते हैं। ऑप्टिकल नैदानिक तकनीकों और मापों को अध्ययन 1,2 के पिछले वर्षों के माध्यम से विकसित किया गया है।
Protocol
Representative Results
Discussion
हमने गेंद के वेगों के मापन के लिए ऑप्टिकल निदान के साथ-साथ पीपीसी और एक एसएसपीपीसी के निर्माण के लिए एक विधि प्रस्तुत की है और तोप के निकास के पास सदमे प्रसार के लक्षण वर्णन के लिए। मानक पीपीसी का निर्मा?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम IUSE: EHR कार्यक्रम के हिस्से के रूप में अंडरग्रेजुएट एजुकेशन (पुरस्कार # 2021157) के NSF प्रभाग द्वारा समर्थित है
Materials
| 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. Improved vacuum bazooka. The Physics Teacher. 41 (4), 246-247 (2003).
- Ayars, E., Buchholtz, L. Analysis of the vacuum cannon. American Journal of Physics. 72 (7), 961-963 (2004).
- 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. , (1957).
- Settles, S. . Schlieren and shadowgraph techniques. , (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. A supersonic ping-pong gun. arXiv. , (2013).
- 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).
