אבחון אופטי במהירות גבוהה של תותח פינג-פונג על-קולי
Summary
אנו מתארים שיטה לבניית תותח פינג פונג על-קולי (SSPPC) יחד עם טכניקות אבחון אופטיות למדידת מהירויות כדור ואפיון גלי הלם מתפשטים במהלך ירי התותח.
Abstract
תותח הפינג-פונג המסורתי (PPC) הוא מנגנון חינוכי המשגר כדור פינג-פונג במורד צינור מפונה למהירויות כמעט קוליות באמצעות לחץ אטמוספרי בלבד. ה-SSPPC, גרסה מוגברת של ה-PPC, משיגה מהירויות על-קוליות על ידי האצת הכדור בלחץ אטמוספרי גדול מהלחץ האטמוספרי. אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו- SSPPC אופטימליים.
דיאגנוסטיקה אופטית מיושמת לצורך חקירת הדינמיקה של התותח. לייזר HeNe הנשלח דרך שני חלונות אקריליים בסמוך ליציאת הצינור מסתיים בחיישן פוטו-מקלט. מיקרו-מעבד מודד את הזמן שבו הקרן נחסמת על ידי כדור הפינג-פונג כדי לחשב באופן אוטומטי את מהירות הכדור. התוצאות מוצגות מיד על צג LCD.
מערך קצה סכין אופטי מספק אמצעי רגיש ביותר לזיהוי גלי הלם על ידי חיתוך חלק קטן מקרן HeNe בחיישן. גלי הלם גורמים לסטיות הנגרמות על ידי שבירה של הקרן, אשר נצפות כקפיצות מתח קטנות באות החשמלי מהקולט.
השיטות המוצגות ניתנות לשחזור רב ומציעות הזדמנות לחקירה נוספת בסביבת מעבדה.
Introduction
PPC היא הדגמה פיזיקלית פופולרית המשמשת כדי להראות את לחץ האוויר העצום שאליו אנשים נחשפים ללא הרף 1,2,3,4,5. ההדגמה כוללת מיקום של כדור פינג פונג בקטע צינור בעל קוטר פנימי השווה בקירוב לקוטר הכדור. הצינור נאטם בכל קצה בנייר דבק ומפונה ללחץ פנימי של פחות מ-2 טור. הסרט בקצה אחד של הצינור מנוקב, מה שמאפשר כניסת אוויר לתותח וגורם לכדור לחוות תאוצות שיא של כ-5,000 גרם. הכדור, המואץ על ידי לחץ אטמוספרי בלבד, יוצא מהתותח במהירות של כ-300 מטר לשנייה לאחר נסיעה של 2 מטר.
למרות PPC מופעל בדרך כלל כהדגמה פשוטה של לחץ אטמוספרי, זה גם מכשיר המציג פיזיקה זרימה דחיסה מורכבת, אשר הביא פרויקטים סטודנטים פתוחים רבים. הדינמיקה של הכדור מושפעת מגורמים משניים כגון חיכוך הקיר, דליפת האוויר סביב הכדור והיווצרות גלי הלם על ידי הכדור המואץ. התאוצה המשמעותית של הכדור מציגה גל דחיסה בעל משרעת גדולה שנע במורד הצינור שלפני הכדור. דחיסות אלה נעות מהר יותר ממהירות הקול המקומית, וכתוצאה מכך תלול גל הדחיסה ובסופו של דבר נוצר גל הלם6. עבודות קודמות חקרו את הצטברות הלחץ המהירה ביציאה מהצינור עקב השתקפויות גל ההלם בין הכדור לבין היציאה המודבקת של הצינור והניתוק שנוצר של הקלטת לפני יציאת הכדור2. וידאו במהירות גבוהה באמצעות טכניקת הדמיה של שלירן במראה אחת חשף את תגובת הקלטת לגלי ההלם המשקפים ואת הניתוק הסופי של הקלטת ביציאה של PPC 7,8 (וידאו 1). לפיכך, ה- PPC משמש הן כהדגמה פשוטה של לחץ אוויר המסקרן קהלים בכל הגילאים והן כמכשיר המציג פיזיקת נוזלים מורכבת, אותה ניתן לחקור בפירוט רב בסביבת מעבדה.
עם PPC סטנדרטי, מהירויות כדור פינג פונג מוגבלות על ידי מהירות הקול. גרסה בסיסית זו של PPC מכוסה בהיקף של מאמר זה, יחד עם תותח שונה המשמש כדי להגביר את הכדור למהירויות קוליות. בעבודה קודמת של פרנץ’ ואחרים, מהירויות כדורי פינג-פונג על-קוליים הושגו על ידי ניצול זרימה מונעת לחץ דרך זרבובית מתכנסת 9,10,11. ה- SSPPC המוצג כאן משתמש בצינור לחץ (דרייבר) כדי לספק הפרש לחצים גדול יותר על כדור הפינג פונג מאשר מסופק על ידי לחץ אטמוספרי בלבד. דיאפרגמת פוליאסטר דקה משמשת להפרדת צינור הנהג מהצינור המפונה (מונע) המכיל את הכדור. דיאפרגמה זו נקרעת תחת לחץ גייג’ מספיק (בדרך כלל 5-70 psi, תלוי בעובי הסרעפת), ובכך מאיצה את כדור הפינג פונג למהירויות של עד 1.4 מאך. כדור הפינג-פונג העל-קולי מייצר גל הלם עומד, כפי שניתן לראות באמצעות טכניקות הדמיה של גרף צללים במהירות גבוהה 7,12 (וידאו 2).
לייזר HeNe בעל הספק נמוך (Class II) משמש לביצוע מחקרי אבחון אופטיים על ביצועי התותח. קרן הלייזר HeNe מחולקת לשני נתיבים, כאשר נתיב אחד חוצה מערכת חלונות אקריליים בסמוך ליציאת התותח והנתיב השני חוצה ממש מעבר ליציאת התותח. כל נתיב מסתיים במקלט פוטו, והאות מוצג באוסילוסקופ דו-ערוצי. עקבות האוסילוסקופ שנרשמו במהלך ירי התותח חושפות מידע הן על מהירות כדור הפינג-פונג המואץ והן על הזרימה הדחוסה וגלי ההלם שקדמו ליציאת הכדור מהתותח. מהירות כדור הפינג-פונג בקוטר 40 מ”מ בכל מיקום קורה קשורה ישירות לזמן שבו הכדור חוסם את הקורה. מערך זיהוי זעזועים רגיש “קצה סכין” מושג על ידי כיסוי מחצית הגלאי בחתיכת סרט חשמלי שחור ומיקום קצה הסרט במרכז הקרן2. עם הגדרה זו, סטיות קלות של קרן הלייזר He-Ne, המיוצרות על ידי אינדקס זרימה דחוס של שיפועי שבירה, נראים בבירור כקפיצות מתח על עקבות האוסילוסקופ. גלי ההלם הנעים לכיוון יציאת התותח וגלי ההלם המוחזרים מסיטים את הקרן לכיוונים מנוגדים ולכן מזוהים על ידי זינוק מתח חיובי או שלילי.
כאן אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו-SSPPC ממוטבים, כמו גם טכניקות אבחון אופטיות (איור 1, איור 2 ואיור 3). טכניקות האבחון האופטי והמדידות פותחו במהלך שנות מחקר קודמות 1,2.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצגנו שיטה לבניית PPC ו-SSPPC יחד עם דיאגנוסטיקה אופטית למדידת מהירויות כדוריות ולאפיון התפשטות זעזועים בסמוך ליציאת התותח. PPC סטנדרטי בנוי עם קטע 2 מ ‘של 1.5 בלוח 80 PVC צינור. הצינור מצויד באוגנים בכל קצה, אביזרי ואקום לחיבור מהיר וחלונות אקריליים בסמוך ליציאה לצורך אבחון לייזר. סכמה מפורטת של PPC מ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי חטיבת NSF לחינוך לתואר ראשון (פרס # 2021157) כחלק מתוכנית 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
- 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).
