超音速ピンポン砲の高速光学診断
Summary
超音速ピンポン砲(SSPPC)の構築方法と、ボール速度の測定と大砲の発射中に伝播する衝撃波の特性評価のための光学診断技術について説明します。
Abstract
従来のピンポン大砲(PPC)は、大気圧のみを使用して、排気されたパイプからほぼ音速までピンポンボールを発射する教育装置です。PPCの拡張バージョンであるSSPPCは、大気圧よりも高い圧力でボールを加速することにより、超音速を実現します。最適化されたPPCとSSPPCの構築と利用に関する指示を提供します。
光学診断は、大砲のダイナミクスを調査する目的で実装されます。パイプの出口近くの2つのアクリル窓から送られるHeNeレーザーは、受光センサーで終端されます。マイクロプロセッサは、ビームがピンポン球によって遮られる時間を測定し、ボールの速度を自動的に計算します。結果はすぐにLCDディスプレイに表示されます。
光学ナイフエッジセットアップは、センサーでHeNeビームの一部を遮断することにより、衝撃波を検出する高感度の手段を提供します。衝撃波はビームの屈折誘発偏向を引き起こし、それは受光器からの電気信号の小さな電圧スパイクとして観察される。
提示された方法は再現性が高く、実験室環境でのさらなる調査の機会を提供します。
Introduction
PPCは、人々が絶えずさらされる巨大な空気圧を示すために使用される人気のある物理学のデモンストレーションです1,2,3,4,5。デモンストレーションでは、内径がボールの直径とほぼ等しいパイプのセクションにピンポンボールを配置します。パイプは両端をテープで密閉し、内圧2Torr未満まで排気します。パイプの一方の端にあるテープに穴が開いており、空気が大砲に入り、ボールに約5,000gのピーク加速度が発生します。大気圧だけで加速されたボールは、2m移動後、約300m/sの速度で大砲を出る。
PPCは一般的に大気圧の単純なデモンストレーションとして運用されていますが、複雑な圧縮性流れ物理学を示す装置でもあり、多くのオープンエンドの学生プロジェクトをもたらしました。ボールのダイナミクスは、壁の摩擦、ボールの周りの空気の漏れ、加速するボールによる衝撃波の形成などの二次的な要因の影響を受けます。ボールの大幅な加速により、ボールの前のチューブを下る大振幅の圧縮波が導入されます。これらの圧縮は局所的な音速よりも速く伝わり、圧縮波が急勾配になり、最終的には衝撃波6が形成されます。以前の研究では、ボールとチューブのテープ出口との間の衝撃波の反射によるチューブの出口での圧力の急速な上昇と、ボール2の出口の前に生じるテープの剥離を研究してきました。シングルミラーシュリーレンイメージング技術を使用した高速ビデオは、反射衝撃波に対するテープの応答と、PPC 7,8の出口でのテープの最終的な剥離を明らかにしました(ビデオ1)。したがって、PPCは、すべての年齢の聴衆を魅了する空気圧の単純なデモンストレーションとして、また実験室の設定で非常に詳細に研究できる複雑な流体物理学を示すデバイスの両方として機能します。
標準のPPCでは、ピンポン球の速度は音速によって制限されます。PPCのこの基本バージョンは、ボールを超音速にブーストするために使用される改造された大砲とともに、このホワイトペーパーの範囲でカバーされています。French et al.による以前の研究では、超音速ピンポン球の速度は、収束発散ノズル9,10,11を通る圧力駆動の流れを利用することによって達成されてきた。ここで紹介するSSPPCは、加圧(ドライバー)パイプを利用して、大気圧のみよりも大きな圧力差をピンポン球に提供します。薄いポリエステルダイアフラムは、ボールを含む排気された(駆動された)パイプからドライバーパイプを分離するために使用されます。このダイヤフラムは、十分なゲージ圧(ダイヤフラムの厚さに応じて通常5〜70psi)で破裂し、ピンポン球をマッハ1.4までの速度に加速します。超音速ピンポン球は、高速シャドウグラフイメージング技術7,12(ビデオ2)を使用して見られるように、定在衝撃波を生成します。
低出力(クラスII)HeNeレーザーを使用して、大砲の性能に関する光学診断研究を実施します。HeNeレーザービームは2つの経路に分割され、1つの経路は大砲の出口近くのアクリル窓のセットを横断し、2番目の経路は大砲の出口を通り過ぎて横断します。各パスは受光器で終端し、信号はデュアルチャンネルオシロスコープに表示されます。大砲の発射中に記録されたオシロスコープのトレースは、加速されたピンポン球の速度と、大砲からのボールの出口に先行する圧縮性の流れと衝撃波の両方に関する情報を明らかにします。各ビーム位置での直径40mmのピンポン球の速度は、ボールがビームをブロックする時間に直接関係しています。敏感な「ナイフエッジ」衝撃検出セットアップは、検出器の半分を黒い電気テープで覆い、テープの端をビーム2の中心に配置することによって達成されます。この設定では、圧縮可能な流れ誘起屈折率の屈折勾配によって生成されるHe-Neレーザービームのわずかなたわみが、オシロスコープトレースの電圧スパイクとしてはっきりと見えます。大砲の出口に向かって移動する衝撃波と反射された衝撃波はビームを反対方向に偏向させるため、正または負の電圧スパイクによって識別されます。
ここでは、最適化されたPPCとSSPPCの構築と利用、および光診断技術について説明します(図1、図2、および図3)。光学診断技術と測定は、過去数年間の研究を通じて開発されてきました1,2。
Protocol
Representative Results
Discussion
我々は、ボール速度の測定と大砲の出口付近の衝撃伝播の特性評価のための光学診断とともに、PPCとSSPPCを構築するための方法を提示しました。標準PPCは、スケジュール2の1.5PVCパイプの80mセクションで構成されています。パイプには、両端にフランジ、クイックコネクト真空継手、レーザー診断用の出口近くのアクリル窓が取り付けられています。PPCの詳細な回路図を 図1</str…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、IUSE:EHRプログラムの一環として、NSF学部教育部門(賞#2021157)によってサポートされています。
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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