Diagnostic optique à grande vitesse d’un canon de ping-pong supersonique
Summary
Nous décrivons une méthode pour la construction d’un canon de ping-pong supersonique (SSPPC) ainsi que des techniques de diagnostic optique pour la mesure de la vitesse de la balle et la caractérisation de la propagation des ondes de choc pendant le tir du canon.
Abstract
Le canon de ping-pong traditionnel (PPC) est un appareil éducatif qui lance une balle de ping-pong dans un tuyau évacué à des vitesses presque soniques en utilisant uniquement la pression atmosphérique. Le SSPPC, une version augmentée du PPC, atteint des vitesses supersoniques en accélérant la balle avec une pression supérieure à la pression atmosphérique. Nous fournissons des instructions pour la construction et l’utilisation d’un PPC et d’un SSPPC optimisés.
Les diagnostics optiques sont mis en œuvre dans le but d’étudier la dynamique des canons. Un laser HeNe qui est envoyé à travers deux fenêtres en acrylique près de la sortie du tuyau est terminé sur un capteur photorécepteur. Un microprocesseur mesure le temps pendant lequel le faisceau est obstrué par la balle de ping-pong pour calculer automatiquement la vitesse de la balle. Les résultats sont immédiatement présentés sur un écran LCD.
Une configuration optique à bord de couteau fournit un moyen très sensible de détecter les ondes de choc en coupant une fraction du faisceau HeNe au niveau du capteur. Les ondes de choc provoquent des déviations induites par la réfraction du faisceau, qui sont observées sous forme de petits pics de tension dans le signal électrique du photorécepteur.
Les méthodes présentées sont hautement reproductibles et offrent la possibilité d’approfondir les recherches en laboratoire.
Introduction
Le PPC est une démonstration de physique populaire utilisée pour montrer l’immense pression atmosphérique à laquelle les gens sont continuellement exposés 1,2,3,4,5. La démonstration implique le placement d’une balle de ping-pong dans une section de tuyau dont le diamètre intérieur est approximativement égal au diamètre de la balle. Le tuyau est scellé à chaque extrémité avec du ruban adhésif et évacué à une pression interne inférieure à 2 Torr. Le ruban à une extrémité du tuyau est perforé, ce qui permet à l’air d’entrer dans le canon et provoque des accélérations maximales d’environ 5 000 g à la balle. La balle, qui est accélérée par la seule pression atmosphérique, sort du canon à une vitesse d’environ 300 m/s après avoir parcouru 2 m.
Bien que le PPC soit généralement utilisé comme une simple démonstration de la pression atmosphérique, c’est aussi un appareil qui présente une physique complexe de l’écoulement compressible, ce qui a donné lieu à de nombreux projets étudiants ouverts. La dynamique de la balle est influencée par des facteurs secondaires tels que le frottement de la paroi, la fuite d’air autour de la balle et la formation d’ondes de choc par la balle accélérante. L’accélération substantielle de la balle introduit une onde de compression de grande amplitude qui se déplace le long du tube devant la balle. Ces compressions se déplacent plus rapidement que la vitesse du son local, ce qui entraîne une pentification de l’onde de compression et la formation éventuelle d’une onde de choc6. Des travaux antérieurs ont étudié l’accumulation rapide de pression à la sortie du tube due aux réflexions de l’onde de choc entre la bille et la sortie scotchée du tube et au détachement du ruban qui en résulte avant la sortie de la bille2. La vidéo à grande vitesse utilisant une technique d’imagerie schlieren à miroir unique a révélé la réponse de la bande aux ondes de choc réfléchissantes et le détachement éventuel de la bande à la sortie du PPC 7,8 (vidéo 1). Ainsi, le PPC sert à la fois de simple démonstration de la pression atmosphérique qui intrigue les publics de tous âges et de dispositif présentant une physique des fluides complexe, qui peut être étudiée en détail dans un laboratoire.
Avec le PPC standard, les vitesses de balle de ping-pong sont limitées par la vitesse du son. Cette version de base du PPC est couverte dans le cadre de cet article, ainsi qu’un canon modifié utilisé pour propulser la balle à des vitesses supersoniques. Dans des travaux antérieurs de French et al., les vitesses de balle de ping-pong supersoniques ont été obtenues en utilisant un écoulement entraîné par la pression à travers une buse convergente-divergente 9,10,11. Le SSPPC présenté ici utilise un tuyau pressurisé (conducteur) pour fournir une différence de pression plus grande sur la balle de ping-pong que celle fournie par la pression atmosphérique seule. Un mince diaphragme en polyester est utilisé pour séparer le tuyau conducteur du tuyau sous vide (entraîné) contenant la bille. Ce diaphragme se rompt sous une pression de jauge suffisante (généralement 5-70 psi, selon l’épaisseur du diaphragme), accélérant ainsi la balle de ping-pong à des vitesses allant jusqu’à Mach 1,4. La balle de ping-pong supersonique produit une onde de choc stationnaire, comme on peut le voir en utilisant des techniques d’imagerie shadowgraph à grande vitesse 7,12 (vidéo 2).
Un laser HeNe de faible puissance (classe II) est utilisé pour effectuer des études de diagnostic optique sur les performances du canon. Le faisceau laser HeNe est divisé en deux chemins, l’un traversant un ensemble de fenêtres en acrylique près de la sortie du canon et le second chemin passant juste après la sortie du canon. Chaque chemin se termine sur un photorécepteur et le signal est affiché sur un oscilloscope à deux canaux. La trace de l’oscilloscope enregistrée lors du tir du canon révèle des informations à la fois sur la vitesse de la balle de ping-pong accélérée et sur le flux compressible et les ondes de choc qui précèdent la sortie de la balle du canon. La vitesse de la balle de ping-pong de 40 mm de diamètre à chaque emplacement de poutre est directement liée au temps pendant lequel la balle bloque la poutre. Une configuration sensible de détection de choc « couteau » est obtenue en recouvrant la moitié du détecteur avec un morceau de ruban électrique noir et en positionnant le bord de la bande au centre du faisceau2. Avec cette configuration, de légères déviations du faisceau laser He-Ne, produites par l’indice de gradients de réfraction induit par le flux compressible, sont clairement visibles sous forme de pics de tension sur la trace de l’oscilloscope. Les ondes de choc se déplaçant vers la sortie du canon et les ondes de choc réfléchies dévient le faisceau dans des directions opposées et sont donc identifiées par un pic de tension positif ou négatif.
Ici, nous fournissons des instructions pour la construction et l’utilisation d’un PPC et d’un SSPPC optimisés, ainsi que des techniques de diagnostic optique (Figure 1, Figure 2 et Figure 3). Les techniques et les mesures de diagnostic optique ont été développées au cours des années précédentes d’étude 1,2.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons présenté une méthode pour la construction d’un PPC et d’un SSPPC ainsi que des diagnostics optiques pour la mesure des vitesses de la bille et pour la caractérisation de la propagation des chocs près de la sortie du canon. Le PPC standard est construit avec une section de 2 m de 1,5 dans le tuyau en PVC de l’annexe 80. Le tuyau est équipé de brides à chaque extrémité, de raccords à vide à connexion rapide et de fenêtres en acrylique près de la sortie pour le diagnostic laser. Un schéma dé…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu par la NSF Division of Undergraduate Education (prix # 2021157) dans le cadre du programme IUSE: 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
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