超音速乒乓球炮的高速光学诊断
Summary
我们描述了一种制造超音速乒乓球加农炮（SSPPC）的方法，以及用于测量球速和表征大炮发射过程中传播冲击波的光学诊断技术。
Abstract
传统的乒乓球大炮（PPC）是一种教育设备，仅使用大气压力即可将乒乓球发射到疏散的管道中，达到接近声速的速度。SSPPC是PPC的增强版本，通过以大于大气压的速度加速球来实现超音速。我们提供了构建和使用优化的PPC和SSPPC的说明。
实施光学诊断的目的是研究大炮动力学。通过管道出口附近的两个丙烯酸窗口发送的HeNe激光器端接在光接收器传感器上。微处理器测量光束被乒乓球阻挡的时间，以自动计算球的速度。结果会立即显示在LCD显示屏上。
光学刀口设置提供了一种高灵敏度的方法来检测冲击波，方法是切断传感器处的一小部分HeNe光束。冲击波引起光束的折射诱导偏转，这在光接收器的电信号中被观察到为小的电压尖峰。
所介绍的方法具有高度可重复性，并为在实验室环境中进行进一步研究提供了机会。
Introduction
PPC是一种流行的物理演示，用于显示人们不断暴露于的巨大气压1，2，3，4，5。该演示涉及将乒乓球放置在内径大约等于球直径的管道中。管道两端用胶带密封，并抽真空到小于 2 Torr 的内部压力。管道一端的胶带被刺破，这允许空气进入大炮，并导致球经历大约 5，000 g 的峰值加速度。仅通过大气压力加速的球在行进 300 m 后以大约 m/s 的速度离开大炮 2 m。
虽然PPC通常作为大气压力的简单演示进行操作，但它也是一种表现出复杂可压缩流动物理的装置，这导致了许多开放式学生项目。球的动力学受壁面摩擦、球周围空气泄漏、加速球形成冲击波等次要因素的影响。球的大幅加速度引入了一个大振幅的压缩波，该压缩波沿着球前方的管子传播。这些压缩的传播速度比局部声速快，导致压缩波变陡，最终形成冲击波6。以前的工作已经研究了由于球和管子的胶带出口之间的冲击波的反射以及由此产生的胶带在球出口之前在管子出口处压力的快速积聚2。使用单镜纹影成像技术的高速视频揭示了磁带对反射冲击波的响应以及磁带在PPC7，8 出口处的最终分离（视频1）。因此，PPC既可以作为吸引所有年龄段观众的气压的简单演示，也可以作为展示复杂流体物理的设备，可以在实验室环境中进行详细研究。
使用标准PPC，乒乓球速度受到声速的限制。本文涵盖了PPC的这个基本版本，以及用于将球提升到超音速的改进加农炮。在French等人以前的工作中，超音速乒乓球速度是通过通过会聚发散喷嘴9，10，11的压力驱动流来实现的。这里介绍的SSPPC利用加压（驱动器）管在乒乓球上提供比单独大气压更大的压差。使用薄聚酯隔膜将驱动管与包含球的真空（从动）管分开。该隔膜在足够的表压下破裂（通常为5-70 psi，取决于隔膜厚度），从而将乒乓球加速到1.4马赫的速度。超音速乒乓球产生驻留冲击波，使用高速阴影成像技术7，12（视频2）可以看出。
低功率（II类）氦氖激光器用于对大炮的性能进行光学诊断研究。HeNe激光束分为两条路径，一条路径穿过大炮出口附近的一组亚克力窗口，第二条路径穿过大炮出口。每条路径在光电接收器上终止，信号显示在双通道示波器上。在大炮发射过程中记录的示波器轨迹揭示了有关加速乒乓球速度以及球从大炮出口之前的可压缩流动和冲击波的信息。直径为40毫米的乒乓球在每个光束位置的速度与球阻挡光束的时间直接相关。灵敏的“刀刃”冲击检测设置是通过用一块黑色电工胶带覆盖检测器的一半并将胶带的边缘定位在光束2的中心来实现的。通过这种设置，由可压缩流动诱导的折射梯度指数产生的氦氖激光束的轻微偏转在示波器迹线上清晰可见，如电压尖峰。向大炮出口传播的冲击波和反射的冲击波使光束向相反的方向偏转，因此由正或负电压尖峰识别。
在这里，我们提供了构建和使用优化的PPC和SSPPC的说明，以及光学诊断技术（图1，图2和图3）。光学诊断技术和测量是通过前几年的研究1，2开发的。
Protocol
Representative Results
Discussion
我们已经提出了一种构建PPC和SSPPC的方法，以及用于测量球速和表征大炮出口附近冲击传播的光学诊断。标准 PPC 由 2 m 截面 1.5 在附表 80 PVC 管中构成。管道两端各装有法兰、快速连接真空接头和出口附近的亚克力窗口，用于激光诊断。PPC的详细原理图如图 1所示。在射击之前，将乒乓球插入大炮中，并密封末端。出口端通过将胶带直接固定在法兰上来密封。在管道的另一端?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了NSF本科教育部（奖项#2021157）的支持，作为IUSE：EHR计划的一部分
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
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