Höghastighets optisk diagnostik av en supersonisk ping-pong-kanon
Summary
Vi beskriver en metod för konstruktion av en supersonisk pingiskanon (SSPPC) tillsammans med optiska diagnostiska tekniker för mätning av kulhastigheter och karakterisering av utbredande chockvågor under avfyrningen av kanonen.
Abstract
Den traditionella pingiskanonen (PPC) är en pedagogisk apparat som skjuter en pingisboll ner i ett evakuerat rör till nästan ljudhastigheter med enbart atmosfärstryck. SSPPC, en förstärkt version av PPC, uppnår supersoniska hastigheter genom att accelerera bollen med större än atmosfärstryck. Vi tillhandahåller instruktioner för konstruktion och användning av en optimerad PPC och SSPPC.
Optisk diagnostik implementeras i syfte att undersöka kanondynamiken. En HeNe-laser som skickas genom två akrylfönster nära rörets utgång avslutas på en fotomottagarsensor. En mikroprocessor mäter den tid som strålen hindras av pingisbollen för att automatiskt beräkna bollens hastighet. Resultaten presenteras omedelbart på en LCD-skärm.
En optisk knivkantsinställning ger ett mycket känsligt sätt att upptäcka chockvågor genom att skära av en bråkdel av HeNe-strålen vid sensorn. Chockvågor orsakar brytningsinducerade avböjningar av strålen, som observeras som små spänningsspikar i den elektriska signalen från fotomottagaren.
De metoder som presenteras är mycket reproducerbara och erbjuder möjlighet till vidare undersökning i laboratoriemiljö.
Introduction
PPC är en populär fysikdemonstration som används för att visa det enorma lufttrycket som människor ständigt utsätts för 1,2,3,4,5. Demonstrationen innebär placering av en pingisboll i en sektion av röret som har en innerdiameter som är ungefär lika med kulans diameter. Röret förseglas i varje ände med tejp och evakueras till ett inre tryck på mindre än 2 Torr. Tejpen i ena änden av röret punkteras, vilket gör att luft kan komma in i kanonen och får bollen att uppleva toppaccelerationer på cirka 5 000 g. Kulan, som accelereras av enbart atmosfärstryck, lämnar kanonen med en hastighet av cirka 300 m / s efter att ha rest 2 m.
Även om PPC vanligtvis drivs som en enkel demonstration av atmosfärstryck, är det också en apparat som uppvisar komplex kompressibel flödesfysik, vilket har resulterat i många öppna studentprojekt. Bollens dynamik påverkas av sekundära faktorer som väggfriktion, läckage av luft runt bollen och bildandet av chockvågor av den accelererande bollen. Den betydande accelerationen av bollen introducerar en kompressionsvåg med stor amplitud som färdas ner i röret framför bollen. Dessa kompressioner färdas snabbare än den lokala ljudhastigheten, vilket resulterar i en brantning av kompressionsvågen och slutligen bildandet av en chockvåg6. Tidigare arbete har studerat den snabba uppbyggnaden av tryck vid rörets utgång på grund av reflektionerna av chockvågen mellan bollen och rörets tejpade utgång och den resulterande lossningen av tejpen före utgången av bollen2. Höghastighetsvideo med en spegel schlieren-bildteknik har avslöjat bandets svar på de reflekterande chockvågorna och den slutliga lossningen av tejpen vid utgången av PPC 7,8 (Video 1). Således fungerar PPC både som en enkel demonstration av lufttryck som fascinerar publik i alla åldrar och som en anordning som uppvisar komplex vätskefysik, som kan studeras i detalj i en laboratorieinställning.
Med standard PPC begränsas pingisbollhastigheterna av ljudets hastighet. Denna grundläggande version av PPC omfattas av detta dokument, tillsammans med en modifierad kanon som används för att öka bollen till supersoniska hastigheter. I tidigare arbete av French et al. har supersoniska pingisbollhastigheter uppnåtts genom att använda tryckdrivet flöde genom ett konvergerande-divergerande munstycke 9,10,11. SSPPC som presenteras här använder ett trycksatt (driv) rör för att ge en större tryckskillnad på pingiskulan än vad som tillhandahålls av atmosfärstryck ensam. Ett tunt polyestermembran används för att separera drivröret från det evakuerade (drivna) röret som innehåller kulan. Detta membran brister under tillräckligt gagetryck (vanligtvis 5-70 psi, beroende på membranets tjocklek), vilket accelererar pingisbollen till hastigheter upp till Mach 1,4. Den supersoniska pingisbollen producerar en stående chockvåg, vilket kan ses med hjälp av höghastighets skugggrafavbildningstekniker 7,12 (Video 2).
En HeNe-laser med låg effekt (klass II) används för att utföra optiska diagnostiska studier på kanonens prestanda. HeNe-laserstrålen är uppdelad i två banor, med en väg som passerar genom en uppsättning akrylfönster nära kanonens utgång och den andra vägen som korsar precis förbi kanonens utgång. Varje bana avslutas på en fotomottagare, och signalen visas på ett dubbelkanals oscilloskop. Oscilloskopspåret som registrerats under avfyrningen av kanonen avslöjar information om både hastigheten på den accelererade pingisbollen och det komprimerbara flödet och chockvågorna som föregår kulans utgång från kanonen. Hastigheten på pingisbollen med en diameter på 40 mm vid varje strålplats är direkt relaterad till den tid då kulan blockerar strålen. En känslig “knivkant” stötdetekteringsinställning uppnås genom att täcka hälften av detektorn med en bit svart elektrisk tejp och placera kanten på tejpen i mitten av strålen2. Med denna inställning är små avböjningar av He-Ne-laserstrålen, som produceras av det komprimerbara flödesinducerade indexet för brytningsgradienter, tydligt synliga som spänningsspikar på oscilloskopspåret. Chockvågorna som färdas mot kanonutgången och de reflekterade chockvågorna avböjer strålen i motsatta riktningar och identifieras därför av antingen en positiv eller negativ spänningsspets.
Här ger vi instruktioner för konstruktion och användning av en optimerad PPC och SSPPC, samt optiska diagnostiska tekniker (figur 1, figur 2 och figur 3). De optiska diagnostiska teknikerna och mätningarna har utvecklats genom tidigare års studie 1,2.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har presenterat en metod för konstruktion av en PPC och en SSPPC tillsammans med optisk diagnostik för mätning av kulhastigheter och för karakterisering av chockutbredning nära kanonens utgång. Standard PPC är konstruerad med en 2 m sektion av 1,5 i schema 80 PVC-rör. Röret är utrustat med flänsar i varje ände, snabbkopplade vakuumbeslag och akrylfönster nära utgången för laserdiagnostik. En detaljerad schematisk bild av PPC visas i figur 1. Före avfyrning sätts en pingi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av NSF Division of Undergraduate Education (utmärkelse # 2021157) som en del av IUSE: EHR-programmet
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).
