High-speed optische diagnostiek van een supersonisch pingpongkanon
Summary
We beschrijven een methode voor de constructie van een supersonisch pingpongkanon (SSPPC) samen met optische diagnostische technieken voor het meten van balsnelheden en de karakterisering van voortplantende schokgolven tijdens het afvuren van het kanon.
Abstract
Het traditionele pingpongkanon (PPC) is een educatief apparaat dat een pingpongbal door een geëvacueerde pijp lanceert tot bijna sonische snelheden met alleen atmosferische druk. De SSPPC, een verbeterde versie van de PPC, bereikt supersonische snelheden door de bal te versnellen met meer dan atmosferische druk. Wij geven instructies voor de bouw en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC.
Optische diagnostiek wordt geïmplementeerd met het oog op het onderzoeken van de kanondynamica. Een HeNe-laser die door twee acrylvensters bij de uitgang van de buis wordt gestuurd, wordt afgesloten op een fotoontvangersensor. Een microprocessor meet de tijd dat de bundel wordt belemmerd door de pingpongbal om automatisch de snelheid van de bal te berekenen. De resultaten worden direct gepresenteerd op een LCD display.
Een optische mesrandopstelling biedt een zeer gevoelige manier om schokgolven te detecteren door een fractie van de HeNe-straal bij de sensor af te snijden. Schokgolven veroorzaken brekingsgeïnduceerde afbuigingen van de bundel, die worden waargenomen als kleine spanningspieken in het elektrische signaal van de fotoontvanger.
De gepresenteerde methoden zijn zeer reproduceerbaar en bieden de mogelijkheid voor verder onderzoek in een laboratoriumomgeving.
Introduction
De PPC is een populaire natuurkundige demonstratie die wordt gebruikt om de immense luchtdruk te laten zien waaraan mensen voortdurend worden blootgesteld 1,2,3,4,5. De demonstratie omvat de plaatsing van een pingpongbal in een stuk pijp met een binnendiameter die ongeveer gelijk is aan de diameter van de bal. De buis wordt aan elk uiteinde afgesloten met tape en geëvacueerd tot een interne druk van minder dan 2 Torr. De tape aan het ene uiteinde van de pijp wordt doorboord, waardoor lucht het kanon kan binnendringen en de bal piekversnellingen van ongeveer 5.000 g ervaart. De kogel, die alleen door atmosferische druk wordt versneld, verlaat het kanon met een snelheid van ongeveer 300 m/s na een reis van 2 m.
Hoewel de PPC vaak wordt gebruikt als een eenvoudige demonstratie van atmosferische druk, is het ook een apparaat dat complexe samendrukbare stromingsfysica vertoont, wat heeft geresulteerd in tal van open studentenprojecten. De dynamiek van de bal wordt beïnvloed door secundaire factoren zoals wandwrijving, het lekken van lucht rond de bal en de vorming van schokgolven door de versnellende bal. De aanzienlijke versnelling van de bal introduceert een compressiegolf met grote amplitude die door de buis voor de bal reist. Deze compressies reizen sneller dan de lokale geluidssnelheid, wat resulteert in een steiler worden van de compressiegolf en de uiteindelijke vorming van een schokgolf6. Eerder werk heeft de snelle opbouw van druk bij de uitgang van de buis bestudeerd als gevolg van de reflecties van de schokgolf tussen de bal en de afgeplakte uitgang van de buis en de resulterende loslating van de tape voorafgaand aan de uitgang van de bal2. High-speed video met behulp van een single-mirror schlieren imaging techniek heeft de reactie van de tape op de reflecterende schokgolven en de uiteindelijke loslating van de tape bij de uitgang van de PPC 7,8 onthuld (Video 1). De PPC dient dus zowel als een eenvoudige demonstratie van luchtdruk die het publiek van alle leeftijden intrigeert als als een apparaat met complexe vloeistoffysica, die in detail kan worden bestudeerd in een laboratoriumomgeving.
Bij de standaard PPC worden de pingpongbalsnelheden beperkt door de snelheid van het geluid. Deze basisversie van de PPC wordt behandeld in het bestek van dit artikel, samen met een aangepast kanon dat wordt gebruikt om de bal tot supersonische snelheden te boosten. In eerder werk van French et al. zijn supersonische pingpongbalsnelheden bereikt door gebruik te maken van drukgestuurde stroming door een convergerend divergerend mondstuk 9,10,11. De hier gepresenteerde SSPPC maakt gebruik van een onder druk staande (driver) pijp om een groter drukverschil op de pingpongbal te bieden dan alleen door atmosferische druk wordt geleverd. Een dun polyester membraan wordt gebruikt om de driverpijp te scheiden van de geëvacueerde (aangedreven) pijp die de kogel bevat. Dit diafragma scheurt bij voldoende gagedruk (over het algemeen 5-70 psi, afhankelijk van de dikte van het membraan), waardoor de pingpongbal wordt versneld tot snelheden tot Mach 1,4. De supersonische pingpongbal produceert een staande schokgolf, zoals te zien is met behulp van high-speed shadowgraph imaging technieken 7,12 (Video 2).
Een low-power (klasse II) HeNe-laser wordt gebruikt om optische diagnostische studies uit te voeren naar de prestaties van het kanon. De HeNe-laserstraal is verdeeld in twee paden, waarbij het ene pad door een reeks acrylvensters bij de uitgang van het kanon loopt en het tweede pad net voorbij de uitgang van het kanon. Elk pad eindigt op een foto-ontvanger en het signaal wordt weergegeven op een tweekanaals oscilloscoop. Het oscilloscoopspoor dat is geregistreerd tijdens het afvuren van het kanon onthult informatie over zowel de snelheid van de versnelde pingpongbal als de samendrukbare stroming en schokgolven die voorafgaan aan het verlaten van de bal uit het kanon. De snelheid van de pingpongbal met een diameter van 40 mm op elke balklocatie is direct gerelateerd aan de tijd dat de bal de balk blokkeert. Een gevoelige “messcherpe” schokdetectie-opstelling wordt bereikt door de helft van de detector te bedekken met een stuk zwarte elektrische tape en de rand van de tape in het midden van de bundel2 te plaatsen. Met deze opstelling zijn lichte afbuigingen van de He-Ne-laserstraal, geproduceerd door de samendrukbare stroomgeïnduceerde index van brekingsgradiënten, duidelijk zichtbaar als spanningspieken op het oscilloscoopspoor. De schokgolven die naar de uitgang van het kanon reizen en de gereflecteerde schokgolven buigen de straal in tegengestelde richtingen af en worden daarom geïdentificeerd door een positieve of negatieve spanningspiek.
Hier geven we instructies voor de constructie en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC, evenals optische diagnostische technieken (figuur 1, figuur 2 en figuur 3). De optische diagnostische technieken en metingen zijn ontwikkeld door middel van eerdere jaren van studie 1,2.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben een methode gepresenteerd voor de constructie van een PPC en een SSPPC, samen met optische diagnostiek voor het meten van kogelsnelheden en voor de karakterisering van schokvoortplanting bij de uitgang van het kanon. De standaard PPC is gebouwd met een 2 m sectie van 1,5 in schema 80 PVC buis. De buis is voorzien van flenzen aan elk uiteinde, snelkoppelingen en acrylramen bij de uitgang voor laserdiagnostiek. Een gedetailleerd schema van de PPC is weergegeven in figuur 1. Voorafgaa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt ondersteund door de NSF Division of Undergraduate Education (award # 2021157) als onderdeel van het IUSE: EHR-programma
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).
