Diagnóstico óptico de alta velocidad de un cañón supersónico de ping-pong

Summary

Describimos un método para la construcción de un cañón supersónico de ping-pong (SSPPC) junto con técnicas de diagnóstico óptico para la medición de las velocidades de la bola y la caracterización de las ondas de choque propagadoras durante el disparo del cañón.

Abstract

El cañón de ping-pong tradicional (PPC) es un aparato educativo que lanza una pelota de ping-pong por una tubería evacuada a velocidades casi sónicas utilizando solo la presión atmosférica. El SSPPC, una versión aumentada del PPC, alcanza velocidades supersónicas acelerando la pelota con una presión superior a la atmosférica. Proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y SSPPC optimizados.

Los diagnósticos ópticos se implementan con el propósito de investigar la dinámica del cañón. Un láser HeNe que se envía a través de dos ventanas de acrílico cerca de la salida de la tubería termina en un sensor fotorreceptor. Un microprocesador mide el tiempo que el haz es obstruido por la pelota de ping-pong para calcular automáticamente la velocidad de la pelota. Los resultados se presentan inmediatamente en una pantalla LCD.

Una configuración óptica de filo de cuchilla proporciona un medio altamente sensible para detectar ondas de choque al cortar una fracción del haz HeNe en el sensor. Las ondas de choque causan desviaciones del haz inducidas por la refracción, que se observan como pequeños picos de voltaje en la señal eléctrica del fotorreceptor.

Los métodos presentados son altamente reproducibles y ofrecen la oportunidad de una mayor investigación en un entorno de laboratorio.

Introduction

El PPC es una demostración de física popular utilizada para mostrar la inmensa presión del aire a la que las personas están continuamente expuestas 1,2,3,4,5. La demostración consiste en la colocación de una pelota de ping-pong en una sección de tubería que tiene un diámetro interior que es aproximadamente igual al diámetro de la pelota. La tubería se sella en cada extremo con cinta adhesiva y se evacua a una presión interna de menos de 2 Torr. La cinta en un extremo de la tubería está perforada, lo que permite que el aire entre en el cañón y hace que la bola experimente aceleraciones máximas de aproximadamente 5,000 g. La bola, que se acelera solo por la presión atmosférica, sale del cañón a una velocidad de aproximadamente 300 m / s después de viajar 2 m.

Aunque el PPC se opera comúnmente como una simple demostración de la presión atmosférica, también es un aparato que exhibe una física compleja de flujo compresible, lo que ha dado lugar a numerosos proyectos estudiantiles abiertos. La dinámica de la pelota está influenciada por factores secundarios como la fricción de la pared, la fuga de aire alrededor de la pelota y la formación de ondas de choque por la bola que acelera. La aceleración sustancial de la pelota introduce una onda de compresión de gran amplitud que viaja por el tubo frente a la bola. Estas compresiones viajan más rápido que la velocidad del sonido local, lo que resulta en una inclinación de la onda de compresión y la eventual formación de una onda de choque⁶. Trabajos previos han estudiado la rápida acumulación de presión a la salida del tubo debido a las reflexiones de la onda de choque entre la bola y la salida grabada del tubo y el desprendimiento resultante de la cinta antes de la salida de la bola². El vídeo de alta velocidad utilizando una técnica de imagen schlieren de un solo espejo ha revelado la respuesta de la cinta a las ondas de choque reflectantes y el eventual desprendimiento de la cinta a la salida del PPC ^7,8 (Video 1). Por lo tanto, el PPC sirve como una simple demostración de la presión del aire que intriga a audiencias de todas las edades y como un dispositivo que exhibe física de fluidos compleja, que se puede estudiar con gran detalle en un entorno de laboratorio.

Con el PPC estándar, las velocidades de la pelota de ping-pong están limitadas por la velocidad del sonido. Esta versión básica del PPC está cubierta en el alcance de este documento, junto con un cañón modificado utilizado para impulsar la pelota a velocidades supersónicas. En trabajos previos de French et al., las velocidades supersónicas de las pelotas de ping-pong se han logrado utilizando un flujo impulsado por la presión a través de una boquilla convergente-divergente 9,10,11. El SSPPC presentado aquí utiliza una tubería presurizada (conductor) para proporcionar un diferencial de presión más grande en la pelota de ping-pong que el proporcionado solo por la presión atmosférica. Se utiliza un diafragma delgado de poliéster para separar el tubo conductor del tubo evacuado (accionado) que contiene la bola. Este diafragma se rompe bajo suficiente presión del medidor (generalmente 5-70 psi, dependiendo del grosor del diafragma), acelerando así la pelota de ping-pong a velocidades de hasta Mach 1.4. La pelota de ping-pong supersónica produce una onda de choque estacionaria, como se puede ver utilizando técnicas de imagen de gráficos de sombra de alta velocidad ^7,12 (Video 2).

Se utiliza un láser HeNe de baja potencia (clase II) para llevar a cabo estudios de diagnóstico óptico sobre el rendimiento del cañón. El rayo láser HeNe se divide en dos caminos, con un camino que atraviesa un conjunto de ventanas de acrílico cerca de la salida del cañón y el segundo camino que atraviesa justo después de la salida del cañón. Cada camino termina en un fotorreceptor, y la señal se muestra en un osciloscopio de doble canal. La traza del osciloscopio registrada durante el disparo del cañón revela información sobre la velocidad de la pelota de ping-pong acelerada y el flujo compresible y las ondas de choque que preceden a la salida de la pelota del cañón. La velocidad de la pelota de ping-pong de 40 mm de diámetro en cada ubicación del haz está directamente relacionada con el tiempo que la bola bloquea la viga. Se logra una configuración de detección de choques sensible de “filo de cuchillo” cubriendo la mitad del detector con un trozo de cinta aislante negra y colocando el borde de la cinta en el centro del haz². Con esta configuración, las ligeras desviaciones del rayo láser He-Ne, producidas por el índice de gradientes de refracción inducido por flujo compresible, son claramente visibles como picos de voltaje en la traza del osciloscopio. Las ondas de choque que viajan hacia la salida del cañón y las ondas de choque reflejadas desvían el haz en direcciones opuestas y, por lo tanto, se identifican por un pico de voltaje positivo o negativo.

Aquí, proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y SSPPC optimizados, así como técnicas de diagnóstico óptico (Figura 1, Figura 2 y Figura 3). Las técnicas y mediciones ópticas de diagnóstico han sido desarrolladas a través de años previos de estudio ^1,2.

Protocol

1. Construcción y montaje del cañón de ping-pong (PPC) Ensamble todos los componentes del PPC de acuerdo con la Figura 1. Inserte dos ventanas de acrílico de alta claridad en los lados del cañón para permitir el sondeo óptico a través del interior del cañón.Perfore dos 1/2 agujeros a través de lados opuestos del PVC cerca de la salida del cañón. Prepare dos 1/8 en ventanas gruesas de acrílico usando un grabador láser. Des…

Representative Results

Aquí, proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y un SSPPC, junto con la implementación del diagnóstico óptico para la caracterización de choques y mediciones de velocidad. También se proporcionan resultados experimentales representativos. Los sistemas completos de PPC y SSPPC, junto con los accesorios necesarios, se muestran en la Figura 1 y la Figura 2. El SSPPC es una versión aumentada del PPC, donde una sección de tu…

Discussion

Hemos presentado un método para la construcción de un PPC y un SSPPC junto con diagnósticos ópticos para la medición de velocidades de bola y para la caracterización de la propagación de choques cerca de la salida del cañón. El PPC estándar está construido con una sección de 2 m de 1,5 en tubería de PVC anexo 80. La tubería está equipada con bridas en cada extremo, accesorios de vacío de conexión rápida y ventanas de acrílico cerca de la salida para el diagnóstico láser. Un esquema detallado del PPC …

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