Summary
Описан метод построения сверхзвуковой пушки для пинг-понга (SSPPC), а также методы оптической диагностики для измерения скоростей шаров и определения характеристик распространяющихся ударных волн во время стрельбы из пушки.
Abstract
Традиционная пушка для пинг-понга (PPC) - это образовательный аппарат, который запускает шарик для пинг-понга по вакуумированной трубе до скорости, близкой к звуковой, используя только атмосферное давление. SSPPC, расширенная версия PPC, достигает сверхзвуковых скоростей за счет ускорения мяча с давлением, превышающим атмосферное. Мы предоставляем инструкции по созданию и использованию оптимизированных PPC и SSPPC.
Оптическая диагностика реализована с целью исследования динамики пушки. HeNe-лазер, который направляется через два акриловых окна на выходе из трубы, заканчивается на датчике фотоприемника. Микропроцессор измеряет время, в течение которого луч заблокирован шариком для пинг-понга, чтобы автоматически рассчитать скорость мяча. Результаты сразу же отображаются на ЖК-дисплее.
Оптическая установка с лезвием ножа обеспечивает высокочувствительные средства обнаружения ударных волн путем отсечения части луча HeNe на датчике. Ударные волны вызывают вызванные преломлением отклонения луча, которые наблюдаются в виде небольших скачков напряжения в электрическом сигнале от фотоприемника.
Представленные методы обладают высокой воспроизводимостью и дают возможность для дальнейших исследований в лабораторных условиях.
Introduction
PPC - это популярная физическая демонстрация, используемая для демонстрации огромного давления воздуха, которому люди постоянно подвергаются 1,2,3,4,5. Демонстрация включает в себя размещение мяча для пинг-понга в отрезке трубы, внутренний диаметр которого примерно равен диаметру мяча. Труба герметизируется с каждого конца лентой и откачивается до внутреннего давления менее 2 Торр. Лента на одном конце трубы проколота, что позволяет воздуху проникать в пушку и вызывает пиковые ускорения шара примерно в 5000 g. Шар, который разгоняется только атмосферным давлением, выходит из пушки со скоростью примерно 300 м/с после прохождения 2 м.
Хотя PPC обычно используется как простая демонстрация атмосферного давления, он также является аппаратом, который демонстрирует сложную физику сжимаемого потока, что привело к многочисленным открытым студенческим проектам. На динамику мяча влияют вторичные факторы, такие как трение стенки, утечка воздуха вокруг мяча и образование ударных волн ускоряющимся мячом. Существенное ускорение мяча создает волну сжатия большой амплитуды, которая распространяется вниз по трубке перед мячом. Эти сжатия распространяются быстрее, чем локальная скорость звука, что приводит к углублению волны сжатия и возможному образованию ударной волны6. В предыдущих работах изучалось быстрое нарастание давления на выходе из трубки из-за отражения ударной волны между шаром и заклеенным скотчем выходом трубки и результирующего отрыва ленты до выхода шара2. Высокоскоростное видео с использованием метода однозеркальной шлиренной визуализации выявило реакцию ленты на отражающие ударные волны и возможное отсоединение ленты на выходе из PPC 7,8 (видео 1). Таким образом, PPC служит как простой демонстрацией давления воздуха, которая интригует аудиторию всех возрастов, так и устройством, демонстрирующим сложную физику жидкости, которую можно очень подробно изучить в лабораторных условиях.
В стандартном PPC скорость шарика для пинг-понга ограничена скоростью звука. Эта базовая версия PPC рассматривается в рамках этой статьи, наряду с модифицированной пушкой, используемой для разгона шара до сверхзвуковых скоростей. В предыдущей работе Френча и др. сверхзвуковые скорости шариков для пинг-понга были достигнуты за счет использования потока, управляемого давлением, через сходящееся-расходящееся сопло 9,10,11. Представленный здесь SSPPC использует трубу под давлением (драйвер) для обеспечения большего перепада давления на мяче для пинг-понга, чем обеспечивается только атмосферным давлением. Тонкая полиэфирная диафрагма используется для отделения трубы драйвера от вакуумированной (ведомой) трубы, содержащей шарик. Эта мембрана разрывается при достаточном давлении датчика (обычно 5-70 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от толщины диафрагмы), тем самым ускоряя шарик для пинг-понга до скорости до 1,4 Маха. Сверхзвуковой шарик для пинг-понга создает стоячую ударную волну, что можно увидеть с помощью высокоскоростных методов визуализации теневого графика 7,12 (Видео 2).
Маломощный (класс II) HeNe-лазер используется для проведения оптических диагностических исследований характеристик пушки. Луч HeNe-лазера разделен на два пути, один из которых проходит через набор акриловых окон у выхода из пушки, а второй путь проходит сразу за выходом из пушки. Каждый тракт заканчивается на фотоприемнике, и сигнал отображается на двухканальном осциллографе. След осциллографа, зафиксированный во время стрельбы из пушки, раскрывает информацию как о скорости разогнанного шарика для пинг-понга, так и о сжимаемом потоке и ударных волнах, которые предшествуют выходу шара из пушки. Скорость шарика для пинг-понга диаметром 40 мм в каждом месте луча напрямую связана со временем, когда мяч блокирует луч. Чувствительная установка обнаружения удара «лезвие ножа» достигается путем покрытия половины детектора куском черной изоленты и позиционирования края ленты в центре луча2. При такой установке небольшие отклонения луча He-Ne лазера, создаваемые сжимаемым индуцированным потоком показателем градиентов преломления, хорошо видны в виде скачков напряжения на трассе осциллографа. Ударные волны, движущиеся к выходу из пушки, и отраженные ударные волны отклоняют луч в противоположных направлениях и, следовательно, идентифицируются либо положительным, либо отрицательным скачком напряжения.
Здесь мы приводим инструкции по созданию и использованию оптимизированных PPC и SSPPC, а также методы оптической диагностики (рис. 1, рис. 2 и рис. 3). Методы оптической диагностики и измерения были разработаны в предыдущие годы исследования 1,2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Сборка и сборка пушки для пинг-понга (КПП)
- Соберите все компоненты КПП в соответствии с рисунком 1.
- Вставьте два акриловых окна высокой четкости по бокам пушки, чтобы обеспечить оптическое зондирование внутренней части пушки.
- Просверлите два отверстия по 1/2 дюйма через противоположные стороны ПВХ возле выхода из пушки.
- Подготовьте два акриловых окна толщиной 1/8 дюйма с помощью лазерного гравера. Загрузите три дополнительных файла svg.
ПРИМЕЧАНИЕ: Есть три файла с пометкой «JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg»
(Дополнительный файл 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(Дополнительный файл 2) и "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
(Дополнительный файл 3). Эти три файла следует использовать в порядке, предусмотренном с помощью процесса, описанного в заголовке (гравировка/вырезание). Настройки скорости и мощности лазера должны быть установлены в соответствии с настройками, рекомендованными производителем для акрила. Каждый этап гравировки должен удалять примерно 1/3 толщины материала. - Добавьте силиконовый герметик к краю акрила, стараясь не попасть на окно. Затем поместите окна в отверстия, убедившись, что они перпендикулярны друг другу. Оставьте достаточно времени, чтобы силикон затвердел после этой части процесса.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если лазерный резак недоступен, кусок прозрачной ленты можно обернуть по окружности трубы, чтобы запечатать отверстия на 1/2 и действовать как окно, проходящее внутрь трубы. Дальнейшие эксперименты могут быть проведены путем вставки дополнительных окон в пушку для измерения скорости и ускорения шарика для пинг-понга по длине ведомой трубы.
- С помощью ленточной шлифовальной машины отшлифуйте торцевую часть фланца на выходе из пушки. Завершите шлифовку мелкозернистой наждачной бумагой, чтобы лента хорошо прилегала к фланцу.
- С помощью лазерного резака вырежьте акриловый колпачок по букве «JoVE_AcrylicCap_Cut.svg» (дополнительный файл 4). Прикрепите к акриловому колпачку полнолицевую резиновую прокладку. Акриловый колпачок является компонентом прижимного уплотнения, используемого при обжиге PPC.
- Надежно закрепите пушку для стрельбы и установите прочный контейнер, чтобы безопасно поймать мяч для пинг-понга с достаточной набивкой, чтобы свести к минимуму удар о заднюю стенку контейнера.
ПРИМЕЧАНИЕ: Существует множество решений для закрепления пушки для пинг-понга и безопасной ловли мяча. Для представленного эксперимента была создана нестандартная прижимная система, обеспечивающая прочное закрепление пушки с горизонтальной ориентацией. Эти зажимы могут быть изготовлены в соответствии с «JoVE_CannonMountTemplate.png» (Дополнительный файл 5).- Используйте дополнительный файл 5 в качестве шаблона, чтобы вырезать деревянные доски размером 2 x 6 дюймов. Соедините верхнюю и нижнюю части прижимной системы с помощью защелки и шарнира для фиксации пушки.
- Выровняйте внутреннюю часть хомутов резиновым прокладочным материалом, чтобы предотвратить соскальзывание пушки в процессе стрельбы. Прикрепите соединенные верхнюю и нижнюю части зажимной системы к основанию с помощью четырех угловых кронштейнов.
- Установите готовую систему зажима на столешницу с помощью четырех С-образных зажимов. Сконструируйте фанерный контейнер размером 13 x 13 x 24 дюйма и подкрепите его четырьмя фанерными листами размером 1 дюйм, чтобы поймать мяч для пинг-понга. Поместите в контейнер прокладочный материал, чтобы предотвратить отскок мяча. Установите этот контейнер с помощью С-образных зажимов на столешницу.
2. Сборка и сборка сверхзвуковой пушки для пинг-понга (SSPPC)
- Соберите все компоненты трубы драйвера, как показано на рисунке 2.
ПРИМЕЧАНИЕ: Основное различие между PPC и SSPPC заключается в том, что SSPPC дополнен приводной секцией под давлением трубы из ПВХ списка 80, которая соединена с входом в PPC. Поэтому, если КПП уже построен, все, что осталось собрать для строительства СПППК, - это участок трубы драйвера. - Надежно закрепите пушку для стрельбы и установите прочный контейнер, который может безопасно ловить мяч для пинг-понга с достаточной набивкой, чтобы свести к минимуму воздействие на заднюю стенку контейнера.
ПРИМЕЧАНИЕ: Системы крепления и захвата, описанные на шаге 1.5, являются теми же системами, которые используются для крепления SSPPC.
3. Оптическая диагностика
- Настройте лазер, светоделитель, зеркало и фотоприемники, установив компоненты на оптическую макетную плату, как показано на рисунке 3. Ориентируйте лазер перпендикулярно пушке, при этом первый луч проходит через внутреннюю часть трубы через акриловые окна, а второй проходит сразу за выходом из пушки.
- Питайте фотоприемники и лазерный модуль, подключив их к источнику питания с ограниченным током 15 В и источнику питания лазера. Подключите фотоприемники к двум каналам осциллографа с помощью кабелей BNC.
- Положите черную изоленту на половину датчика фотоприемника. Лента служит «лезвием ножа» для создания чувствительной установки обнаружения ударов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чувствительность обнаружения лезвия ножа может быть дополнительно повышена с помощью сходящейся линзы для фокусировки луча на лезвии ножа. Чувствительность также может быть повышена за счет увеличения расстояния, на которое луч проходит до фотоприемника, что приводит к большему преломляющему смещению луча. - Перед установкой уровня срабатывания на осциллографе обратите особое внимание на то, чтобы избежать отсечения, которое может возникнуть из-за чувствительности установки лезвия ножа. Чтобы избежать отсечения, отрегулируйте положение луча на лезвии ножа так, чтобы базовое напряжение составляло примерно 50% от максимального напряжения. Максимальное напряжение - это напряжение, когда полный луч находится на беспрепятственном детекторе.
- Отрегулируйте настройки осциллографа, чтобы собрать 20 миллионов точек данных. Установите скорость сбора данных на 500 МГц, отрегулировав горизонтальную ручку шкалы. Поверните ручку спускового крючка, чтобы сработать при напряжении немного ниже базового напряжения, полученного от фотоприемника.
ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость мяча для пинг-понга может быть найдена с помощью простой математики с использованием модулей фотоприемника. Скорость - это диаметр мяча для пинг-понга, деленный на время, когда луч заблокирован мячом. Микропроцессор используется для обработки сигнала, полученного от внутреннего модуля фотоприемника, для автоматического измерения скорости шара в конце пушки.
- Отрегулируйте настройки осциллографа, чтобы собрать 20 миллионов точек данных. Установите скорость сбора данных на 500 МГц, отрегулировав горизонтальную ручку шкалы. Поверните ручку спускового крючка, чтобы сработать при напряжении немного ниже базового напряжения, полученного от фотоприемника.
4. Автоматические измерения скорости
- Чтобы использовать микропроцессор для автоматических измерений скорости, преобразуйте сигнал от модуля фотоприемника в импульс 0-5 В, как показано на рисунке 5, используя компаратор, который срабатывает примерно на 10% от базового напряжения. Подключите преобразованный сигнал к порту 7 микропроцессора.
- Загрузите файл "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (дополнительный файл 6) и загрузите его на микропроцессор.
- Подключите дисплей RA8875 и плату драйвера к назначенным портам микропроцессора.
5. Настройка и стрельба из пушки для пинг-понга
- Перед выстрелом из пушки наденьте защиту для ушей и глаз.
- Вставьте шарик для пинг-понга в выход пушки. Слегка дуйте в конец пушки, пока шарик не попадет в вакуумный штуцер рядом с входом в трубу.
- Закрепите квадрат ленты размером 3 x 3 дюйма на фланце на выходном конце пушки и второй квадрат на акриловом колпачке. Заклейте ленту так, чтобы она прилегала к поверхности фланца и колпачка.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если есть какие-либо морщины или большие пузыри, ленту необходимо выбросить. Если лента недостаточно прилипает к поверхности, вакуум может быть потерян, и пушка может выстрелить преждевременно. Если в какой-то момент вакуум теряется, игольчатый клапан, подключенный к вакуумному насосу, может быть открыт, чтобы привести систему в равновесие. - Убедитесь, что лазерный луч центрирован на лезвии ножа, спусковой крючок правильно установлен, а контейнер для улавливания надежно закреплен.
- Включите вакуумный насос, чтобы откачать трубу до пониженного абсолютного давления менее 2 Торр. Как только будет достигнут достаточный вакуум, проколите ленту у входа острым предметом, таким как наконечник или бритвенный наконечник.
- После обжига выключите вакуумный насос. Снимите ленту с выходного фланца и акрилового колпачка.
6. Установка и стрельба сверхзвуковой пушки для пинг-понга
- В целях безопасности надевайте средства защиты органов слуха и глаз на протяжении всего процесса обжига.
- Нарежьте листы полиэфирной пленки размером 0,0005 дюйма, 0,001 дюйма и 0,002 дюйма, соответствующие размерам фланца. Эти листы можно резать вручную или, предпочтительно, с помощью лазерного резака. Используйте дополнительный файл «JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg» (Supplementary File 7) в качестве схемы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для целей этого эксперимента пушка стреляла одиночными листами 0,0005 дюйма, 0,001 дюйма и 0,002 дюйма в полиэфирной пленке, и результаты записаны на рисунке 7. Шаблон для лазерной резки полиэфирной пленки можно найти в виде файла SVG (дополнительный файл 7). - Убедитесь, что клапан от воздушного компрессора к трубе привода закрыт. Предварительно заполните воздушный компрессор, чтобы обеспечить более быстрое заполнение трубы водителя, когда пушка готова к стрельбе.
- Вставьте шарик для пинг-понга в выход пушки. Слегка подуйте в конец пушки, пока шарик не будет остановлен вакуумным штуцером рядом с входом в ведомую трубу.
- Закрепите квадрат ленты размером 3 x 3 дюйма на выходном конце пушки. Заклейте ленту так, чтобы она прилегала к поверхности фланца.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если есть какие-либо морщины или большие пузыри, ленту необходимо выбросить. Если лента недостаточно прилипает к поверхности, вакуум может быть потерян, и пушка может выстрелить преждевременно. В случае утечки вакуума или возникновения других осложнений используйте клапан сброса давления на трубе привода и игольчатый клапан на вакуумном насосе, чтобы привести систему в равновесие. - Вставьте предварительно нарезанную тонкую полиэфирную диафрагму между двумя резиновыми прокладками. Разместите диафрагму и резиновые прокладки между механиком-водителем и ведомой секциями пушки. Плотно соедините две секции с помощью 4 кулачковых зажимов.
- Убедитесь, что лазерный луч центрирован на лезвии ножа, спусковой крючок правильно установлен, а контейнер для улавливания надежно закреплен.
- Включите вакуумный насос, чтобы откачать трубу до пониженного абсолютного давления менее 2 Торр. Сбросьте давление из воздушного компрессора в трубу привода. Дайте давлению подняться до тех пор, пока мембрана не лопнет, и сжатый воздух в трубе привода быстро не заполнит вакуумированную ведомую трубу.
- После того, как пушка выстрелит, выключите воздушный компрессор и вакуумный насос. Снимите лопнувшую полиэфирную диафрагму и ленту с пушки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Здесь мы предоставляем инструкции по созданию и использованию PPC и SSPPC, а также реализацию оптической диагностики для определения ударных характеристик и измерений скорости. Также приведены репрезентативные экспериментальные результаты. Готовые системы PPC и SSPPC, а также необходимые аксессуары показаны на рисунках 1 и 2. SSPPC представляет собой расширенную версию PPC, в которой приводной участок трубы под давлением соединен с ведомой трубой PPC. На рисунке 3 показана оптическая диагностическая установка для обнаружения ударных волн и скорости шарика для пинг-понга по лезвию ножа. На рисунке 4 показан образец трассы осциллографа, демонстрирующий эффективность оптической диагностики для определения ударных характеристик и измерений скорости, а также концептуальные эскизы, показывающие движение шара и отражающие ударные волны, соответствующие трассе осциллографа. Необработанные и обработанные сигналы, полученные микропроцессором, вместе с изображением расчетов скорости на ЖК-дисплее представлены на рисунке 5. На рисунке 6 показана репрезентативная двухканальная трассировка осциллографа от успешного срабатывания SSPPC. Следы осциллографа демонстрируют эффективность установки с лезвием ножа для обнаружения ударных волн внутри и сразу после выхода из пушки. Трассы также отображают четкую отсечку сигнала при прохождении мяча, что используется для точных расчетов скорости мяча. Проводились испытания на стрельбу ССППК при различных условиях разрыва диафрагмы. Корреляция между скоростями мяча для пинг-понга и условиями разрыва диафрагмы SSPPC показана на рисунке 7.
Рисунок 1: Схема стандартной пушки для пинг-понга. На этом рисунке показана установка и компоновка стандартной пушки для пинг-понга. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Схема сверхзвуковой пушки для пинг-понга. На этом рисунке показана установка и компоновка сверхзвуковой пушки для пинг-понга. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Схема установки оптического диагностического оборудования. На этом рисунке показана настройка и компоновка компонентов для оптических диагностических измерений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Репрезентативная трасса осциллографа с иллюстрированным распространением ударной волны. На этом рисунке изображена распространяющаяся ударная волна, отражающаяся на протяжении всего процесса стрельбы пушки, которая представлена изменением напряжения относительно времени. Пять снимков пушки изображают направление распространения ударной волны в сочетании с положением шара в пушке. Направление ударной волны определяется положительным или отрицательным всплеском сигнала. Скорость может быть измерена по ширине «квадратного» импульса, вызванного тем, что шар отсекает луч. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Преобразование и отображение сигнала микропроцессора. Здесь мы показываем след внутренне чувствительного фотоприемника, вызванный типичным снимком PPC. Импульс, вызванный движущимся шариком, инвертируется компаратором, лишний шум удаляется и направляется на 0 В и 5 В, чтобы его можно было легко считывать микропроцессором. Ширина обработанного квадратного импульса считывается микропроцессором и используется для расчета скорости, которая затем отображается на ЖК-дисплее. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Репрезентативная трассировка осциллографа для срабатывания SSPPC. Двухканальная трассировка осциллографа показывает сигнал лезвия ножа для лучей, проходящих через внутреннюю (красную) и внешнюю (синюю) области вблизи выхода из пушки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Зависимость скоростей выхода шарика для пинг-понга SSPPC от условий разрыва диафрагмы. SSPPC был выпущен для серии случаев с использованием отдельных листов 0,0005 дюйма, 0,001 дюйма и 0,002 дюйма в полиэфирной пленке. Дифференциал давления в мембране при разрыве был построен в зависимости от числа Маха для каждого случая. Пушка была выпущена восемь раз на каждую толщину диафрагмы, а вертикальные и горизонтальные полосы погрешности представляют собой стандартную ошибку перепада давления и числа Маха соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Видео 1: Техника визуализации Шлирена. На видео показана реакция ленты на отражающие ударные волны и возможное отсоединение ленты на выходе из КПП. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Видео 2: Высокоскоростная технология визуализации теневого графика. Сверхзвуковой шарик для пинг-понга производит стоячую ударную волну. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Дополнительный файл 1: JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 3: JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 4: JoVE_AcrylicCap_Cut.svg Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 5: JoVE_CannonMountTemplate.png Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 6: JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 7: JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы представили метод построения КПК и ССППК наряду с оптической диагностикой для измерения скоростей шара и для характеристики распространения ударов вблизи выхода из пушки. Стандартная КПП построена с сечением 2 м из 1,5 трубы из ПВХ списка 80. Труба оснащена фланцами на каждом конце, быстроразъемными вакуумными фитингами и акриловыми окнами возле выхода для лазерной диагностики. Подробная схема КПП показана на рисунке 1. Перед стрельбой в пушку вставляется шарик для пинг-понга, а концы запечатываются. Выходной конец герметизируется путем крепления ленты непосредственно на фланец. На другом конце трубы лента закрепляется акриловым колпачком с вырезом 1,5 дюйма, и труба герметизируется с помощью акрилового колпачка с резиновой прокладкой. PPC надежно закреплен, а прочный контейнер расположен так, чтобы безопасно поймать мяч для пинг-понга. Стрельба из пушки производится путем вакуумирования трубы до пониженного абсолютного давления менее 2 Торр и прокалывания пушки острым предметом. SSPPC представляет собой расширенную конструкцию PPC, которая обеспечивает повышенные ускорения и сверхзвуковые скорости шарика для пинг-понга за счет крепления секции под давлением 4 в трубе из ПВХ списка 80 к стандартному PPC. Подробная схема SSPPC показана на рисунке 2. Один конец трубы под давлением герметизирован крышкой, тогда как другой конец соединен с КПП с помощью муфты редуктора и фланца. Труба под давлением оснащена манометром 1-100 фунтов на квадратный дюйм, быстроразъемными фитингами к воздушному компрессору и предохранительным предохранительным клапаном. Перед выстрелом шарик вставляется в пушку, а выходной конец герметизируется путем закрепления ленты на фланце. Затем приводная и ведомая секции надежно соединяются тонкой полиэфирной диафрагмой и резиновой прокладкой между ними. SSPPC надежно закреплен, а прочный контейнер расположен для безопасной ловли мяча для пинг-понга. После снижения давления в ведомой трубе до менее 2 Торр стрельба из пушки производится путем сброса давления из воздушного компрессора в трубу водителя до тех пор, пока диафрагма не лопнет.
Оптическая диагностика лезвия ножа устанавливается на оптической макетной плате с лазером, светоделителем, зеркалом и двумя фотоприемниками, как показано на рисунке 3. Лазер ориентирован перпендикулярно пушке, при этом один луч проходит через внутреннюю часть трубы через акриловые окна, а другой луч (от светоделителя) проходит сразу за выходом из пушки. Интенсивности лучей собираются двумя модулями фотоприемника, а сигнал выводится на двухканальный цифровой осциллограф. Черная изолента помещается на датчики фотоприемника, чтобы блокировать примерно половину каждого луча. Лента служит лезвием ножа и повышает чувствительность для обнаружения небольших поперечных отклонений, вызванных ударными волнами или другими изменениями плотности потока. Данные с фотоприемников автоматически записываются при выстреле из пушки путем срабатывания осциллографа при прохождении шаром первого луча. Перед установкой уровня спускового крючка на осциллографе необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы избежать срезания, которое может возникнуть из-за чувствительности системы лезвия ножа. Отсечения можно избежать, отрегулировав положение луча на лезвии ножа таким образом, чтобы базовое напряжение составляло примерно 50% от максимального напряжения. Скорости шариков для пинг-понга рассчитываются по следам от модулей фотоприемника. Простой и точный расчет скорости производится путем деления диаметра мяча для пинг-понга на время, когда луч загораживается мячом. Микропроцессор используется для обработки сигнала, полученного от луча, проходящего через внутреннюю часть трубы, для автоматического расчета и отображения скорости шара вблизи выхода из пушки.
Результаты этого метода очень воспроизводимы и обеспечивают немедленное цифровое отображение скоростей шарика для пинг-понга, повышая ценность пушки как демонстрационного устройства. Трассировка осциллографа с использованием установки с лезвием ножа содержит богатое визуальное изображение сжимаемого потока и ударных волн, связанных с пушкой. Этот метод фокусируется на эксперименте, на который влияют многие вторичные факторы, которые могут быть дополнительно изучены в лабораторных условиях, такие как трение стенки, утечка воздуха вокруг шара, образование ударных волн ускоряющимся шаром, быстрое наращивание давления, создаваемого отражением ударных волн между мячом и заклеенным выходом, и последующее отсоединение ленты перед выходом шара. Репрезентативная трассировка осциллографа от срабатывания SSPPC показана на рисунке 6. Верхний след на рисунке соответствует лучу, который проходит по внутренней части пушки возле выхода. Нижняя трасса соответствует лучу, который пересекает траекторию шарика для пинг-понга сразу после выхода из пушки. Четкая отсечка в сигнале очевидна, когда мяч проходит мимо и блокирует каждый луч. Скачки напряжения перед прохождением шара, вызванные распространяющимися ударными волнами, усиливаются установкой обнаружения лезвия ножа и могут быть видны на каждой трассе. Последовательные скачки напряжения в верхней дорожке инвертируются из-за отражения ударных волн внутри пушки между шаром и лентой. Напротив, каждый скачок напряжения на нижней трассе находится в одном и том же направлении, потому что ударные волны за пределами пушки не отражаются и не проходят через внешний луч во второй раз.
В дополнение к представленным экспериментам могут быть разработаны последующие студенческие проекты, обеспечивающие дополнительный контроль за условиями испытаний во время стрельбы из пушки. Например, текущий SSPPC срабатывает при естественном разрыве мембраны после того, как между двумя секциями трубы накапливается достаточный перепад давления. Разработка управляемого пользователем механизма разрыва, который инициируется пользователем или автоматически запускается при желаемом давлении драйвера, позволит повысить точность управления условиями испытания. Другие последующие проекты могут быть направлены на измерение скорости мяча для пинг-понга в нескольких положениях при одном выстреле из пушки, чтобы обеспечить более полное описание скорости и ускорения мяча, когда он движется по трубе. Измерения скорости в КПК в зависимости от положения изучались ранее, но с каждой точкой данных о скорости, полученной при отдельных стрельбах КПК1.
Пушка для пинг-понга по-прежнему будет демонстрацией, вызывающей интригу и любопытство у зрителей всех возрастов и типов. Сложная физика жидкости, демонстрируемая пушкой, будет по-прежнему обеспечивать, казалось бы, безграничный запас последующих исследований, которые могут быть исследованы в физических и инженерных лабораторных проектах. В классе он будет продолжать служить популярной демонстрацией, стимулирующей волнение и интригу по поводу величины атмосферного давления. Мы ожидаем, что методы построения SSPPC и оптическая диагностика, которые мы представили, повысят ценность пушки как демонстрационного устройства, так и полезного прибора для захватывающих лабораторных экспериментов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам раскрывать нечего.
Acknowledgments
Эта работа поддерживается Отделом бакалавриата NSF (награда #2021157) в рамках программы IUSE: EHR
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- Ayars, E., Buchholtz, L.
- 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. , Wiley. New York, NY. (1957).
- Settles, S. Schlieren and shadowgraph techniques. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin, Germany. (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.
- 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).
