Высокоскоростная оптическая диагностика сверхзвуковой пушки для пинг-понга
Summary
Описан метод построения сверхзвуковой пушки для пинг-понга (SSPPC), а также методы оптической диагностики для измерения скоростей шаров и определения характеристик распространяющихся ударных волн во время стрельбы из пушки.
Abstract
Традиционная пушка для пинг-понга (PPC) – это образовательный аппарат, который запускает шарик для пинг-понга по вакуумированной трубе до скорости, близкой к звуковой, используя только атмосферное давление. SSPPC, расширенная версия PPC, достигает сверхзвуковых скоростей за счет ускорения мяча с давлением, превышающим атмосферное. Мы предоставляем инструкции по созданию и использованию оптимизированных PPC и SSPPC.
Оптическая диагностика реализована с целью исследования динамики пушки. HeNe-лазер, который направляется через два акриловых окна на выходе из трубы, заканчивается на датчике фотоприемника. Микропроцессор измеряет время, в течение которого луч заблокирован шариком для пинг-понга, чтобы автоматически рассчитать скорость мяча. Результаты сразу же отображаются на ЖК-дисплее.
Оптическая установка с лезвием ножа обеспечивает высокочувствительные средства обнаружения ударных волн путем отсечения части луча HeNe на датчике. Ударные волны вызывают вызванные преломлением отклонения луча, которые наблюдаются в виде небольших скачков напряжения в электрическом сигнале от фотоприемника.
Представленные методы обладают высокой воспроизводимостью и дают возможность для дальнейших исследований в лабораторных условиях.
Introduction
PPC – это популярная физическая демонстрация, используемая для демонстрации огромного давления воздуха, которому люди постоянно подвергаются 1,2,3,4,5. Демонстрация включает в себя размещение мяча для пинг-понга в отрезке трубы, внутренний диаметр которого примерно равен диаметру мяча. Труба герметизируется с каждого конца лентой и откачивается до внутреннего давления менее 2 Торр. Лента на одном конце трубы проколота, что позволяет воздуху проникать в пушку и вызывает пиковые ускорения шара примерно в 5000 g. Шар, который разгоняется только атмосферным давлением, выходит из пушки со скоростью примерно 300 м/с после прохождения 2 м.
Хотя PPC обычно используется как простая демонстрация атмосферного давления, он также является аппаратом, который демонстрирует сложную физику сжимаемого потока, что привело к многочисленным открытым студенческим проектам. На динамику мяча влияют вторичные факторы, такие как трение стенки, утечка воздуха вокруг мяча и образование ударных волн ускоряющимся мячом. Существенное ускорение мяча создает волну сжатия большой амплитуды, которая распространяется вниз по трубке перед мячом. Эти сжатия распространяются быстрее, чем локальная скорость звука, что приводит к углублению волны сжатия и возможному образованию ударной волны6. В предыдущих работах изучалось быстрое нарастание давления на выходе из трубки из-за отражения ударной волны между шаром и заклеенным скотчем выходом трубки и результирующего отрыва ленты до выхода шара2. Высокоскоростное видео с использованием метода однозеркальной шлиренной визуализации выявило реакцию ленты на отражающие ударные волны и возможное отсоединение ленты на выходе из PPC 7,8 (видео 1). Таким образом, PPC служит как простой демонстрацией давления воздуха, которая интригует аудиторию всех возрастов, так и устройством, демонстрирующим сложную физику жидкости, которую можно очень подробно изучить в лабораторных условиях.
В стандартном PPC скорость шарика для пинг-понга ограничена скоростью звука. Эта базовая версия PPC рассматривается в рамках этой статьи, наряду с модифицированной пушкой, используемой для разгона шара до сверхзвуковых скоростей. В предыдущей работе Френча и др. сверхзвуковые скорости шариков для пинг-понга были достигнуты за счет использования потока, управляемого давлением, через сходящееся-расходящееся сопло 9,10,11. Представленный здесь SSPPC использует трубу под давлением (драйвер) для обеспечения большего перепада давления на мяче для пинг-понга, чем обеспечивается только атмосферным давлением. Тонкая полиэфирная диафрагма используется для отделения трубы драйвера от вакуумированной (ведомой) трубы, содержащей шарик. Эта мембрана разрывается при достаточном давлении датчика (обычно 5-70 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от толщины диафрагмы), тем самым ускоряя шарик для пинг-понга до скорости до 1,4 Маха. Сверхзвуковой шарик для пинг-понга создает стоячую ударную волну, что можно увидеть с помощью высокоскоростных методов визуализации теневого графика 7,12 (Видео 2).
Маломощный (класс II) HeNe-лазер используется для проведения оптических диагностических исследований характеристик пушки. Луч HeNe-лазера разделен на два пути, один из которых проходит через набор акриловых окон у выхода из пушки, а второй путь проходит сразу за выходом из пушки. Каждый тракт заканчивается на фотоприемнике, и сигнал отображается на двухканальном осциллографе. След осциллографа, зафиксированный во время стрельбы из пушки, раскрывает информацию как о скорости разогнанного шарика для пинг-понга, так и о сжимаемом потоке и ударных волнах, которые предшествуют выходу шара из пушки. Скорость шарика для пинг-понга диаметром 40 мм в каждом месте луча напрямую связана со временем, когда мяч блокирует луч. Чувствительная установка обнаружения удара «лезвие ножа» достигается путем покрытия половины детектора куском черной изоленты и позиционирования края ленты в центре луча2. При такой установке небольшие отклонения луча He-Ne лазера, создаваемые сжимаемым индуцированным потоком показателем градиентов преломления, хорошо видны в виде скачков напряжения на трассе осциллографа. Ударные волны, движущиеся к выходу из пушки, и отраженные ударные волны отклоняют луч в противоположных направлениях и, следовательно, идентифицируются либо положительным, либо отрицательным скачком напряжения.
Здесь мы приводим инструкции по созданию и использованию оптимизированных PPC и SSPPC, а также методы оптической диагностики (рис. 1, рис. 2 и рис. 3). Методы оптической диагностики и измерения были разработаны в предыдущие годы исследования 1,2.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы представили метод построения КПК и ССППК наряду с оптической диагностикой для измерения скоростей шара и для характеристики распространения ударов вблизи выхода из пушки. Стандартная КПП построена с сечением 2 м из 1,5 трубы из ПВХ списка 80. Труба оснащена фланцами на каждом конце, бы?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа поддерживается Отделом бакалавриата NSF (награда #2021157) в рамках программы IUSE: EHR
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).
