التشخيص البصري عالي السرعة لمدفع بينج بونج أسرع من الصوت
Summary
وصفنا طريقة لبناء مدفع بينج بونج أسرع من الصوت (SSPPC) جنبا إلى جنب مع تقنيات التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة وتوصيف انتشار موجات الصدمة أثناء إطلاق المدفع.
Abstract
مدفع كرة الطاولة التقليدي (PPC) هو جهاز تعليمي يطلق كرة بينج بونج أسفل أنبوب مفرغ إلى سرعات صوتية تقريبا باستخدام الضغط الجوي وحده. يحقق SSPPC ، وهو نسخة معززة من PPC ، سرعات تفوق سرعة الصوت من خلال تسريع الكرة بضغط أكبر من الضغط الجوي. نحن نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC الأمثل و SSPPC.
يتم تنفيذ التشخيص البصري لغرض التحقيق في ديناميات المدفع. يتم إنهاء ليزر HeNe الذي يتم إرساله عبر نافذتين من الأكريليك بالقرب من مخرج الأنبوب على مستشعر جهاز استقبال ضوئي. يقيس المعالج الدقيق الوقت الذي تعيق فيه كرة البينج بونج الحزمة لحساب سرعة الكرة تلقائيا. يتم عرض النتائج على الفور على شاشة LCD.
يوفر إعداد حافة السكين البصري وسيلة حساسة للغاية للكشف عن موجات الصدمة عن طريق قطع جزء صغير من شعاع HeNe في المستشعر. تتسبب موجات الصدمة في انحرافات الحزمة الناتجة عن الانكسار ، والتي يتم ملاحظتها على أنها طفرات صغيرة في الجهد في الإشارة الكهربائية من جهاز الاستقبال الضوئي.
الطرق المقدمة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة وتوفر الفرصة لمزيد من التحقيق في بيئة مختبرية.
Introduction
PPC هو عرض فيزيائي شائع يستخدم لإظهار ضغط الهواء الهائل الذي يتعرض له الناس باستمرار1،2،3،4،5. يتضمن العرض التوضيحي وضع كرة بينج بونج في قسم من الأنبوب له قطر داخلي يساوي تقريبا قطر الكرة. يتم إغلاق الأنبوب من كل طرف بشريط ويتم إخلاؤه إلى ضغط داخلي أقل من 2 Torr. يتم ثقب الشريط الموجود على أحد طرفي الأنبوب ، مما يسمح للهواء بدخول المدفع ويتسبب في تعرض الكرة لتسارع ذروة يبلغ حوالي 5000 جرام. تخرج الكرة، التي تتسارع بالضغط الجوي وحده، من المدفع بسرعة ٣٠٠ م/ث تقريبا بعد أن تحركت مسافة ٢ م.
على الرغم من أن PPC يتم تشغيله بشكل شائع كعرض بسيط للضغط الجوي ، إلا أنه أيضا جهاز يعرض فيزياء التدفق القابلة للانضغاط المعقدة ، مما أدى إلى العديد من مشاريع الطلاب المفتوحة. تتأثر ديناميكيات الكرة بعوامل ثانوية مثل احتكاك الجدار ، وتسرب الهواء حول الكرة ، وتشكيل موجات الصدمة بواسطة الكرة المتسارعة. تقدم عجلة الكرة الكبيرة موجة ضغط كبيرة السعة تنتقل لأسفل الأنبوب أمام الكرة. تنتقل هذه الضغطات أسرع من سرعة الصوت المحلية ، مما يؤدي إلى انحدار موجة الضغط وتشكيلموجة الصدمة 6 في نهاية المطاف. درست الأعمال السابقة التراكم السريع للضغط عند مخرج الأنبوب بسبب انعكاسات موجة الصدمة بين الكرة والخروج المسجل للأنبوب والانفصال الناتج عن الشريط قبل خروج الكرة2. كشف الفيديو عالي السرعة باستخدام تقنية تصوير schlieren أحادية المرآة عن استجابة الشريط لموجات الصدمة العاكسة والانفصال النهائي للشريط عند مخرج PPC 7,8 (الفيديو 1). وبالتالي ، فإن PPC بمثابة عرض بسيط لضغط الهواء الذي يثير اهتمام الجماهير من جميع الأعمار وكجهاز يعرض فيزياء السوائل المعقدة ، والتي يمكن دراستها بتفصيل كبير في بيئة معملية.
مع PPC القياسي ، تكون سرعات كرة الطاولة محدودة بسرعة الصوت. تمت تغطية هذه النسخة الأساسية من PPC في نطاق هذه الورقة ، جنبا إلى جنب مع مدفع معدل يستخدم لتعزيز الكرة إلى سرعات تفوق سرعة الصوت. في العمل السابق الذي قام به French et al. ، تم تحقيق سرعات كرة بينج بونج الأسرع من الصوت من خلال استخدام التدفق المدفوع بالضغط من خلال فوهة متقاربة متباعدة9،10،11. يستخدم SSPPC المعروض هنا أنبوبا مضغوطا (سائقا) لتوفير فرق ضغط أكبر على كرة البينج بونج مما يوفره الضغط الجوي وحده. يتم استخدام غشاء بوليستر رقيق لفصل أنبوب التشغيل عن الأنبوب الذي تم إخلاؤه (مدفوع) الذي يحتوي على الكرة. يتمزق هذا الحجاب الحاجز تحت ضغط قياس كاف (بشكل عام 5-70 رطل / بوصة مربعة ، اعتمادا على سمك الحجاب الحاجز) ، وبالتالي تسريع كرة البينج بونج إلى سرعات تصل إلى 1.4 ماخ. تنتج كرة البينج بونج الأسرع من الصوت موجة صدمة دائمة ، كما يمكن رؤيته باستخدام تقنيات تصوير الظل عالية السرعة 7,12 (فيديو 2).
يتم استخدام ليزر HeNe منخفض الطاقة (الفئة الثانية) لإجراء دراسات تشخيصية بصرية حول أداء المدفع. ينقسم شعاع الليزر HeNe إلى مسارين ، حيث يمر مسار واحد عبر مجموعة من نوافذ الأكريليك بالقرب من مخرج المدفع والمسار الثاني يمر بعد مخرج المدفع مباشرة. ينتهي كل مسار على جهاز استقبال ضوئي ، ويتم عرض الإشارة على راسم الذبذبات ثنائي القناة. يكشف تتبع الذبذبات المسجل أثناء إطلاق المدفع عن معلومات حول كل من سرعة كرة البينج بونج المتسارعة والتدفق القابل للانضغاط وموجات الصدمة التي تسبق خروج الكرة من المدفع. ترتبط سرعة كرة البينج بونج التي يبلغ قطرها 40 مم في كل موقع شعاع ارتباطا مباشرا بالوقت الذي تحجب فيه الكرة الحزمة. يتم تحقيق إعداد حساس للكشف عن الصدمات “حافة السكين” من خلال تغطية نصف الكاشف بقطعة من الشريط الكهربائي الأسود ووضع حافة الشريط في مركز الحزمة2. مع هذا الإعداد ، تكون الانحرافات الطفيفة لشعاع الليزر He-Ne ، الناتجة عن مؤشر التدفق الناجم عن الانضغاط لتدرجات الانكسار ، مرئية بوضوح كطفرات في الجهد على تتبع راسم الذبذبات. موجات الصدمة التي تنتقل نحو مخرج المدفع وموجات الصدمة المنعكسة تنحرف الحزمة في اتجاهين متعاكسين ، وبالتالي ، يتم تحديدها إما من خلال ارتفاع الجهد الإيجابي أو السلبي.
هنا ، نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC و SSPPC الأمثل ، بالإضافة إلى تقنيات التشخيص البصري (الشكل 1 والشكل 2 والشكل 3). تم تطوير تقنيات وقياسات التشخيص البصري خلال السنوات السابقة من الدراسة 1,2.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد قدمنا طريقة لبناء PPC و SSPPC جنبا إلى جنب مع التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة وتوصيف انتشار الصدمات بالقرب من مخرج المدفع. تم إنشاء PPC القياسي بقسم 2 متر من 1.5 في الجدول 80 الأنابيب البلاستيكية. الأنبوب مزود بحواف في كل طرف ، وتركيبات تفريغ سريعة التوصيل ، ونوافذ أكريليك بالقرب من المخرج لتش?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يتم دعم هذا العمل من قبل قسم NSF للتعليم الجامعي (جائزة # 2021157) كجزء من IUSE: برنامج 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).
