Süpersonik Ping-Pong Topunun Yüksek Hızlı Optik Teşhisi
Summary
Süpersonik bir pinpon topunun (SSPPC) yapımı için bir yöntemin, top hızlarının ölçülmesi için optik teşhis teknikleri ve topun ateşlenmesi sırasında yayılan şok dalgalarının karakterizasyonu için bir yöntem açıklıyoruz.
Abstract
Geleneksel pinpon topu (PPC), tahliye edilmiş bir borudan bir pinpon topunu yalnızca atmosferik basıncı kullanarak neredeyse sonik hızlara fırlatan bir eğitim cihazıdır. PPC’nin artırılmış bir versiyonu olan SSPPC, topu atmosferik basınçtan daha büyük bir şekilde hızlandırarak süpersonik hızlara ulaşır. Optimize edilmiş bir PPC ve SSPPC’nin yapımı ve kullanımı için talimatlar sağlıyoruz.
Optik teşhis, top dinamiklerini araştırmak amacıyla uygulanır. Borunun çıkışına yakın iki akrilik pencereden gönderilen HeNe lazer, bir fotoalıcı sensörü üzerinde sonlandırılır. Bir mikroişlemci, topun hızını otomatik olarak hesaplamak için ışının pinpon topu tarafından engellendiği zamanı ölçer. Sonuçlar hemen bir LCD ekranda sunulur.
Optik bıçak kenarı kurulumu, sensördeki HeNe ışınının bir kısmını keserek şok dalgalarını tespit etmek için son derece hassas bir araç sağlar. Şok dalgaları, fotoalıcıdan gelen elektrik sinyalinde küçük voltaj artışları olarak gözlenen ışının kırılmaya bağlı sapmalarına neden olur.
Sunulan yöntemler yüksek oranda tekrarlanabilir ve laboratuvar ortamında daha fazla araştırma fırsatı sunmaktadır.
Introduction
PPC, insanların sürekli olarak maruz kaldığı muazzam hava basıncını göstermek için kullanılan popüler bir fizik gösterisidir 1,2,3,4,5. Gösterim, bir pinpon topunun, topun çapına yaklaşık olarak eşit bir iç çapa sahip bir boru bölümüne yerleştirilmesini içerir. Boru her iki ucunda bantla kapatılır ve 2 Torr’dan daha düşük bir iç basınca tahliye edilir. Borunun bir ucundaki bant delinir, bu da havanın topa girmesine izin verir ve topun yaklaşık 5.000 g’lık tepe ivmelenmeleri yaşamasına neden olur. Sadece atmosferik basınçla hızlanan top, 2 m ilerledikten sonra yaklaşık 300 m/s hızla toptan çıkar.
PPC genellikle atmosferik basıncın basit bir gösterimi olarak çalıştırılmasına rağmen, aynı zamanda çok sayıda açık uçlu öğrenci projesiyle sonuçlanan karmaşık sıkıştırılabilir akış fiziği sergileyen bir cihazdır. Topun dinamikleri, duvar sürtünmesi, topun etrafındaki havanın sızması ve hızlanan top tarafından şok dalgalarının oluşumu gibi ikincil faktörlerden etkilenir. Topun önemli ölçüde hızlanması, topun önündeki tüpten aşağı doğru ilerleyen büyük genlikli bir sıkıştırma dalgası ortaya çıkarır. Bu sıkıştırmalar yerel ses hızından daha hızlı hareket eder, bu da sıkıştırma dalgasının dikleşmesine ve sonunda bir şok dalgası6’nın oluşmasına neden olur. Önceki çalışmalar, top ile tüpün bantlanmış çıkışı arasındaki şok dalgasının yansımaları ve topun çıkışından önce bandın ayrılması nedeniyle tüpün çıkışında hızlı basınç birikimini incelemiştir2. Tek aynalı schlieren görüntüleme tekniğini kullanan yüksek hızlı video, bandın yansıtıcı şok dalgalarına tepkisini ve PPC 7,8’in çıkışında bandın nihai olarak ayrıldığını ortaya koymuştur (Video 1). Bu nedenle, PPC hem her yaştan izleyicinin ilgisini çeken basit bir hava basıncı gösterimi hem de laboratuvar ortamında ayrıntılı olarak incelenebilen karmaşık akışkan fiziği sergileyen bir cihaz olarak hizmet vermektedir.
Standart PPC ile, pinpon topu hızları ses hızı ile sınırlıdır. PPC’nin bu temel versiyonu, topu süpersonik hızlara çıkarmak için kullanılan modifiye edilmiş bir topla birlikte bu makalenin kapsamında ele alınmıştır. French ve ark. tarafından yapılan önceki çalışmalarda, süpersonik pinpon topu hızları, yakınsak-uzaklaşan bir nozul 9,10,11’den basınca dayalı akış kullanılarak elde edilmiştir. Burada sunulan SSPPC, pinpon topu üzerinde tek başına atmosferik basınç tarafından sağlanandan daha büyük bir basınç farkı sağlamak için basınçlı (sürücü) bir boru kullanır. Sürücü borusunu, topu içeren tahliye edilmiş (tahrikli) borudan ayırmak için ince bir polyester diyafram kullanılır. Bu diyafram yeterli ölçüm basıncı altında yırtılır (diyafram kalınlığına bağlı olarak genellikle 5-70 psi), böylece pinpon topunu Mach 1.4’e kadar hızlanmak üzere hızlandırır. Süpersonik pinpon topu, yüksek hızlı gölgegraf görüntüleme teknikleri 7,12 kullanılarak görülebileceği gibi, ayakta duran bir şok dalgası üretir (Video 2).
Düşük güçlü (sınıf II) HeNe lazer, topun performansı üzerine optik teşhis çalışmaları yapmak için kullanılır. HeNe lazer ışını iki yola ayrılır, bir yol topun çıkışına yakın bir dizi akrilik pencereden geçer ve ikinci yol topun çıkışından hemen geçer. Her yol bir fotoalıcıda sona erer ve sinyal çift kanallı bir osiloskopta görüntülenir. Topun ateşlenmesi sırasında kaydedilen osiloskop izi, hem hızlandırılmış pinpon topunun hızı hem de topun toptan çıkışından önceki sıkıştırılabilir akış ve şok dalgaları hakkında bilgi verir. Her bir ışın konumundaki 40 mm çapındaki pinpon topunun hızı, topun kirişi bloke ettiği zamanla doğrudan ilgilidir. Hassas bir “bıçak kenarı” şok algılama kurulumu, dedektörün yarısını bir parça siyah elektrik bandı ile kaplayarak ve bandın kenarını ışın2’nin ortasına yerleştirerek elde edilir. Bu kurulumla, sıkıştırılabilir akışa bağlı kırılma gradyanları indeksi tarafından üretilen He-Ne lazer ışınının hafif sapmaları, osiloskop izi üzerindeki voltaj artışları olarak açıkça görülebilir. Top çıkışına doğru ilerleyen şok dalgaları ve yansıyan şok dalgaları ışını zıt yönlere saptırır ve bu nedenle pozitif veya negatif voltaj artışı ile tanımlanır.
Burada, optimize edilmiş bir PPC ve SSPPC’nin yanı sıra optik tanı tekniklerinin oluşturulması ve kullanımı için talimatlar sunuyoruz (Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3). Optik tanı teknikleri ve ölçümleri, önceki çalışma yıllarında geliştirilmiştir 1,2.
Protocol
Representative Results
Discussion
Top hızlarının ölçümü ve topun çıkışına yakın şok yayılımının karakterizasyonu için optik teşhis ile birlikte bir PPC ve bir SSPPC’nin inşası için bir yöntem sunduk. Standart PPC, 80 PVC boru çizelgesinde 1,5’lik 2 m’lik bir kesit ile inşa edilmiştir. Boru, her iki ucunda flanşlar, hızlı bağlanan vakum bağlantı parçaları ve lazer teşhisi için çıkışın yakınında akrilik pencerelerle donatılmıştır. PPC’nin ayrıntılı bir şeması Şekil 1’de gö…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, IUSE: EHR programının bir parçası olarak NSF Lisans Eğitimi Bölümü (ödül # 2021157) tarafından desteklenmektedir.
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 |
Referências
- 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).
