Summary

Diagnóstico óptico de alta velocidad de un cañón supersónico de ping-pong

Published: March 24, 2023
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Summary

Describimos un método para la construcción de un cañón supersónico de ping-pong (SSPPC) junto con técnicas de diagnóstico óptico para la medición de las velocidades de la bola y la caracterización de las ondas de choque propagadoras durante el disparo del cañón.

Abstract

El cañón de ping-pong tradicional (PPC) es un aparato educativo que lanza una pelota de ping-pong por una tubería evacuada a velocidades casi sónicas utilizando solo la presión atmosférica. El SSPPC, una versión aumentada del PPC, alcanza velocidades supersónicas acelerando la pelota con una presión superior a la atmosférica. Proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y SSPPC optimizados.

Los diagnósticos ópticos se implementan con el propósito de investigar la dinámica del cañón. Un láser HeNe que se envía a través de dos ventanas de acrílico cerca de la salida de la tubería termina en un sensor fotorreceptor. Un microprocesador mide el tiempo que el haz es obstruido por la pelota de ping-pong para calcular automáticamente la velocidad de la pelota. Los resultados se presentan inmediatamente en una pantalla LCD.

Una configuración óptica de filo de cuchilla proporciona un medio altamente sensible para detectar ondas de choque al cortar una fracción del haz HeNe en el sensor. Las ondas de choque causan desviaciones del haz inducidas por la refracción, que se observan como pequeños picos de voltaje en la señal eléctrica del fotorreceptor.

Los métodos presentados son altamente reproducibles y ofrecen la oportunidad de una mayor investigación en un entorno de laboratorio.

Introduction

El PPC es una demostración de física popular utilizada para mostrar la inmensa presión del aire a la que las personas están continuamente expuestas 1,2,3,4,5. La demostración consiste en la colocación de una pelota de ping-pong en una sección de tubería que tiene un diámetro interior que es aproximadamente igual al diámetro de la pelota. La tubería se sella en cada extremo con cinta adhesiva y se evacua a una presión interna de menos de 2 Torr. La cinta en un extremo de la tubería está perforada, lo que permite que el aire entre en el cañón y hace que la bola experimente aceleraciones máximas de aproximadamente 5,000 g. La bola, que se acelera solo por la presión atmosférica, sale del cañón a una velocidad de aproximadamente 300 m / s después de viajar 2 m.

Aunque el PPC se opera comúnmente como una simple demostración de la presión atmosférica, también es un aparato que exhibe una física compleja de flujo compresible, lo que ha dado lugar a numerosos proyectos estudiantiles abiertos. La dinámica de la pelota está influenciada por factores secundarios como la fricción de la pared, la fuga de aire alrededor de la pelota y la formación de ondas de choque por la bola que acelera. La aceleración sustancial de la pelota introduce una onda de compresión de gran amplitud que viaja por el tubo frente a la bola. Estas compresiones viajan más rápido que la velocidad del sonido local, lo que resulta en una inclinación de la onda de compresión y la eventual formación de una onda de choque6. Trabajos previos han estudiado la rápida acumulación de presión a la salida del tubo debido a las reflexiones de la onda de choque entre la bola y la salida grabada del tubo y el desprendimiento resultante de la cinta antes de la salida de la bola2. El vídeo de alta velocidad utilizando una técnica de imagen schlieren de un solo espejo ha revelado la respuesta de la cinta a las ondas de choque reflectantes y el eventual desprendimiento de la cinta a la salida del PPC 7,8 (Video 1). Por lo tanto, el PPC sirve como una simple demostración de la presión del aire que intriga a audiencias de todas las edades y como un dispositivo que exhibe física de fluidos compleja, que se puede estudiar con gran detalle en un entorno de laboratorio.

Con el PPC estándar, las velocidades de la pelota de ping-pong están limitadas por la velocidad del sonido. Esta versión básica del PPC está cubierta en el alcance de este documento, junto con un cañón modificado utilizado para impulsar la pelota a velocidades supersónicas. En trabajos previos de French et al., las velocidades supersónicas de las pelotas de ping-pong se han logrado utilizando un flujo impulsado por la presión a través de una boquilla convergente-divergente 9,10,11. El SSPPC presentado aquí utiliza una tubería presurizada (conductor) para proporcionar un diferencial de presión más grande en la pelota de ping-pong que el proporcionado solo por la presión atmosférica. Se utiliza un diafragma delgado de poliéster para separar el tubo conductor del tubo evacuado (accionado) que contiene la bola. Este diafragma se rompe bajo suficiente presión del medidor (generalmente 5-70 psi, dependiendo del grosor del diafragma), acelerando así la pelota de ping-pong a velocidades de hasta Mach 1.4. La pelota de ping-pong supersónica produce una onda de choque estacionaria, como se puede ver utilizando técnicas de imagen de gráficos de sombra de alta velocidad 7,12 (Video 2).

Se utiliza un láser HeNe de baja potencia (clase II) para llevar a cabo estudios de diagnóstico óptico sobre el rendimiento del cañón. El rayo láser HeNe se divide en dos caminos, con un camino que atraviesa un conjunto de ventanas de acrílico cerca de la salida del cañón y el segundo camino que atraviesa justo después de la salida del cañón. Cada camino termina en un fotorreceptor, y la señal se muestra en un osciloscopio de doble canal. La traza del osciloscopio registrada durante el disparo del cañón revela información sobre la velocidad de la pelota de ping-pong acelerada y el flujo compresible y las ondas de choque que preceden a la salida de la pelota del cañón. La velocidad de la pelota de ping-pong de 40 mm de diámetro en cada ubicación del haz está directamente relacionada con el tiempo que la bola bloquea la viga. Se logra una configuración de detección de choques sensible de “filo de cuchillo” cubriendo la mitad del detector con un trozo de cinta aislante negra y colocando el borde de la cinta en el centro del haz2. Con esta configuración, las ligeras desviaciones del rayo láser He-Ne, producidas por el índice de gradientes de refracción inducido por flujo compresible, son claramente visibles como picos de voltaje en la traza del osciloscopio. Las ondas de choque que viajan hacia la salida del cañón y las ondas de choque reflejadas desvían el haz en direcciones opuestas y, por lo tanto, se identifican por un pico de voltaje positivo o negativo.

Aquí, proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y SSPPC optimizados, así como técnicas de diagnóstico óptico (Figura 1, Figura 2 y Figura 3). Las técnicas y mediciones ópticas de diagnóstico han sido desarrolladas a través de años previos de estudio 1,2.

Protocol

1. Construcción y montaje del cañón de ping-pong (PPC) Ensamble todos los componentes del PPC de acuerdo con la Figura 1. Inserte dos ventanas de acrílico de alta claridad en los lados del cañón para permitir el sondeo óptico a través del interior del cañón.Perfore dos 1/2 agujeros a través de lados opuestos del PVC cerca de la salida del cañón. Prepare dos 1/8 en ventanas gruesas de acrílico usando un grabador láser. Des…

Representative Results

Aquí, proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y un SSPPC, junto con la implementación del diagnóstico óptico para la caracterización de choques y mediciones de velocidad. También se proporcionan resultados experimentales representativos. Los sistemas completos de PPC y SSPPC, junto con los accesorios necesarios, se muestran en la Figura 1 y la Figura 2. El SSPPC es una versión aumentada del PPC, donde una sección de tu…

Discussion

Hemos presentado un método para la construcción de un PPC y un SSPPC junto con diagnósticos ópticos para la medición de velocidades de bola y para la caracterización de la propagación de choques cerca de la salida del cañón. El PPC estándar está construido con una sección de 2 m de 1,5 en tubería de PVC anexo 80. La tubería está equipada con bridas en cada extremo, accesorios de vacío de conexión rápida y ventanas de acrílico cerca de la salida para el diagnóstico láser. Un esquema detallado del PPC …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo es apoyado por la División de Educación de Pregrado de NSF (premio # 2021157) como parte del programa 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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Cite This Article
Barth, T. J., Stein, K. R. High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon. J. Vis. Exp. (193), e64996, doi:10.3791/64996 (2023).

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