Optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik einer Überschall-Ping-Pong-Kanone

Summary

Wir beschreiben eine Methode zum Bau einer Überschall-Ping-Pong-Kanone (SSPPC) sowie optische Diagnosetechniken zur Messung von Ballgeschwindigkeiten und zur Charakterisierung sich ausbreitender Stoßwellen während des Abfeuerns der Kanone.

Abstract

Die traditionelle Ping-Pong-Kanone (PPC) ist ein pädagogisches Gerät, das einen Tischtennisball mit Hilfe des atmosphärischen Drucks auf nahezu Schallgeschwindigkeit durch ein evakuiertes Rohr schleudert. Der SSPPC, eine erweiterte Version des PPC, erreicht Überschallgeschwindigkeiten, indem er den Ball mit einem Druck beschleunigt, der größer als der atmosphärische Druck ist. Wir geben Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung eines optimierten PPC und SSPPC.

Optische Diagnostik wird eingesetzt, um die Kanonendynamik zu untersuchen. Ein HeNe-Laser, der durch zwei Acrylfenster in der Nähe des Rohrausgangs geschickt wird, wird auf einen Fotoempfängersensor terminiert. Ein Mikroprozessor misst die Zeit, in der der Strahl durch den Tischtennisball behindert wird, um automatisch die Geschwindigkeit des Balls zu berechnen. Die Ergebnisse werden sofort auf einem LCD-Display angezeigt.

Ein optischer Messeraufbau bietet eine hochempfindliche Möglichkeit, Stoßwellen zu detektieren, indem ein Bruchteil des HeNe-Strahls am Sensor abgeschnitten wird. Stoßwellen verursachen brechungsbedingte Ablenkungen des Strahls, die als kleine Spannungsspitzen im elektrischen Signal des Fotoempfängers beobachtet werden.

Die vorgestellten Methoden sind hochgradig reproduzierbar und bieten die Möglichkeit zur weiteren Untersuchung im Labor.

Introduction

Die PPC ist eine beliebte physikalische Demonstration, die verwendet wird, um den immensen Luftdruck zu zeigen, dem Menschen ständig ausgesetzt sind 1,2,3,4,5. Bei der Demonstration wird ein Tischtennisball in einem Rohrabschnitt platziert, dessen Innendurchmesser ungefähr dem Durchmesser des Balls entspricht. Das Rohr wird an beiden Enden mit Klebeband abgedichtet und auf einen Innendruck von weniger als 2 Torr evakuiert. Das Band an einem Ende des Rohrs ist durchstochen, wodurch Luft in die Kanone eindringen kann und die Kugel Spitzenbeschleunigungen von etwa 5.000 g erfährt. Die Kugel, die allein durch den atmosphärischen Druck beschleunigt wird, verlässt die Kanone mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 m/s, nachdem sie 2 m zurückgelegt wurde.

Obwohl das PPC üblicherweise als einfache Demonstration des atmosphärischen Drucks betrieben wird, ist es auch eine Apparatur, die eine komplexe kompressible Strömungsphysik aufweist, was zu zahlreichen unbefristeten Studentenprojekten geführt hat. Die Dynamik des Balls wird durch sekundäre Faktoren wie die Wandreibung, das Austreten von Luft um den Ball herum und die Bildung von Stoßwellen durch den beschleunigenden Ball beeinflusst. Die erhebliche Beschleunigung des Balls führt zu einer Kompressionswelle mit großer Amplitude, die sich durch das Rohr vor dem Ball ausbreitet. Diese Kompressionen bewegen sich schneller als die lokale Schallgeschwindigkeit, was zu einer Versteilerung der Kompressionswelle und schließlich zur Bildung einer Stoßwelle^{führt 6}. Frühere Arbeiten haben den raschen Druckaufbau am Ausgang des Rohres aufgrund der Reflexionen der Stoßwelle zwischen der Kugel und dem abgeklebten Ausgang des Rohres und das daraus resultierende Ablösen des Bandes vor dem Austritt der Kugel² untersucht. Hochgeschwindigkeitsvideos mit einer Einspiegel-Schlieren-Bildgebungstechnik haben die Reaktion des Bandes auf die reflektierenden Stoßwellen und die eventuelle Ablösung des Bandes am Ausgang des PPC ^7,8 gezeigt (Video 1). So dient das PPC sowohl als einfache Demonstration des Luftdrucks, die ein Publikum jeden Alters fasziniert, als auch als ein Gerät, das eine komplexe Strömungsphysik aufweist, die in einer Laborumgebung sehr detailliert untersucht werden kann.

Bei der Standard-PPC sind die Geschwindigkeiten der Tischtennisbälle durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. Diese Basisversion des PPC wird im Rahmen dieses Artikels behandelt, zusammen mit einer modifizierten Kanone, die verwendet wird, um den Ball auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. In früheren Arbeiten von French et al. wurden Überschall-Tischtennisballgeschwindigkeiten durch die Verwendung einer druckgesteuerten Strömung durch eine konvergierende-divergierende Düse 9,10,11 erreicht. Der hier vorgestellte SSPPC verwendet ein druckbeaufschlagtes (Treiber-)Rohr, um eine größere Druckdifferenz auf dem Tischtennisball zu erzeugen, als dies durch den atmosphärischen Druck allein erreicht wird. Eine dünne Polyestermembran wird verwendet, um das Mitnehmerrohr von dem evakuierten (angetriebenen) Rohr zu trennen, das die Kugel enthält. Diese Membran reißt bei ausreichendem Relativdruck (in der Regel 5-70 psi, abhängig von der Membrandicke) und beschleunigt so den Tischtennisball auf Geschwindigkeiten von bis zu Mach 1,4. Der Überschall-Ping-Pong-Ball erzeugt eine stehende Stoßwelle, wie mit Hochgeschwindigkeits-Schattendiagramm-Bildgebungsverfahren ^7,12 (Video 2) zu sehen ist.

Ein HeNe-Laser mit geringer Leistung (Klasse II) wird verwendet, um optische diagnostische Studien über die Leistung der Kanone durchzuführen. Der HeNe-Laserstrahl ist in zwei Pfade aufgeteilt, wobei ein Pfad durch eine Reihe von Acrylfenstern in der Nähe des Ausgangs der Kanone verläuft und der zweite Pfad direkt hinter dem Ausgang der Kanone verläuft. Jeder Pfad endet auf einem Fotoempfänger und das Signal wird auf einem Zweikanal-Oszilloskop angezeigt. Die Oszilloskopspur, die während des Abfeuerns der Kanone aufgezeichnet wird, gibt Aufschluss sowohl über die Geschwindigkeit des beschleunigten Tischtennisballs als auch über die kompressible Strömung und die Stoßwellen, die dem Austritt der Kugel aus der Kanone vorausgehen. Die Geschwindigkeit des Tischtennisballs mit einem Durchmesser von 40 mm an jeder Strahlposition steht in direktem Zusammenhang mit der Zeit, in der der Ball den Strahl blockiert. Eine empfindliche “messerscharfe” Stoßdetektionseinrichtung wird erreicht, indem die Hälfte des Detektors mit einem Stück schwarzem Isolierband bedeckt und die Kante des Bandes in der Mitte des Strahls² positioniert wird. Bei diesem Aufbau sind leichte Ablenkungen des He-Ne-Laserstrahls, die durch den kompressiblen strömungsinduzierten Index von Brechungsgradienten erzeugt werden, als Spannungsspitzen auf der Oszilloskopkurve deutlich sichtbar. Die Stoßwellen, die sich in Richtung des Kanonenausgangs ausbreiten, und die reflektierten Stoßwellen lenken den Strahl in entgegengesetzte Richtungen ab und werden daher entweder durch eine positive oder negative Spannungsspitze gekennzeichnet.

Hier geben wir Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung einer optimierten PPC und SSPPC sowie optische Diagnosetechniken (Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3). Die optischen diagnostischen Techniken und Messungen wurden in den vorangegangenen Studienjahren ^1,2 entwickelt.

Protocol

1. Bau und Montage der Tischtenniskanone (PPC) Montieren Sie alle Komponenten der PPC gemäß Abbildung 1. Setzen Sie zwei hochtransparente Acrylfenster in die Seiten der Kanone ein, um eine optische Sondierung über das Innere der Kanone zu ermöglichen.Bohren Sie zwei 1/2 Löcher durch gegenüberliegende Seiten des PVC in der Nähe des Kanonenausgangs. Bereiten Sie zwei 1/8 in dicken Acrylfenstern mit einem Lasergravierer vor. Laden S…

Representative Results

Hier geben wir Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung eines PPC und eines SSPPC sowie die Durchführung der optischen Diagnostik zur Schockcharakterisierung und Geschwindigkeitsmessung. Repräsentative experimentelle Ergebnisse werden ebenfalls zur Verfügung gestellt. Die fertigen Systeme der PPC und SSPPC sowie das notwendige Zubehör sind in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Der SSPPC ist eine erweiterte Version des PPC, bei der ein treibender,…

Discussion

Wir haben eine Methode zum Aufbau einer PPC und einer SSPPC sowie eine optische Diagnostik zur Messung von Kugelgeschwindigkeiten und zur Charakterisierung der Stoßausbreitung in der Nähe des Kanonenausgangs vorgestellt. Die Standard-PPC besteht aus einem 2 m langen Abschnitt von 1,5 in Schedule 80 PVC-Rohren. Das Rohr ist an beiden Enden mit Flanschen, Vakuum-Schnellverschlüssen und Acrylfenstern in der Nähe des Ausgangs für die Laserdiagnostik ausgestattet. Ein detailliertes Schema des PPC ist in <strong class="xf…

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