Summary
We beschrijven een methode voor de constructie van een supersonisch pingpongkanon (SSPPC) samen met optische diagnostische technieken voor het meten van balsnelheden en de karakterisering van voortplantende schokgolven tijdens het afvuren van het kanon.
Abstract
Het traditionele pingpongkanon (PPC) is een educatief apparaat dat een pingpongbal door een geëvacueerde pijp lanceert tot bijna sonische snelheden met alleen atmosferische druk. De SSPPC, een verbeterde versie van de PPC, bereikt supersonische snelheden door de bal te versnellen met meer dan atmosferische druk. Wij geven instructies voor de bouw en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC.
Optische diagnostiek wordt geïmplementeerd met het oog op het onderzoeken van de kanondynamica. Een HeNe-laser die door twee acrylvensters bij de uitgang van de buis wordt gestuurd, wordt afgesloten op een fotoontvangersensor. Een microprocessor meet de tijd dat de bundel wordt belemmerd door de pingpongbal om automatisch de snelheid van de bal te berekenen. De resultaten worden direct gepresenteerd op een LCD display.
Een optische mesrandopstelling biedt een zeer gevoelige manier om schokgolven te detecteren door een fractie van de HeNe-straal bij de sensor af te snijden. Schokgolven veroorzaken brekingsgeïnduceerde afbuigingen van de bundel, die worden waargenomen als kleine spanningspieken in het elektrische signaal van de fotoontvanger.
De gepresenteerde methoden zijn zeer reproduceerbaar en bieden de mogelijkheid voor verder onderzoek in een laboratoriumomgeving.
Introduction
De PPC is een populaire natuurkundige demonstratie die wordt gebruikt om de immense luchtdruk te laten zien waaraan mensen voortdurend worden blootgesteld 1,2,3,4,5. De demonstratie omvat de plaatsing van een pingpongbal in een stuk pijp met een binnendiameter die ongeveer gelijk is aan de diameter van de bal. De buis wordt aan elk uiteinde afgesloten met tape en geëvacueerd tot een interne druk van minder dan 2 Torr. De tape aan het ene uiteinde van de pijp wordt doorboord, waardoor lucht het kanon kan binnendringen en de bal piekversnellingen van ongeveer 5.000 g ervaart. De kogel, die alleen door atmosferische druk wordt versneld, verlaat het kanon met een snelheid van ongeveer 300 m/s na een reis van 2 m.
Hoewel de PPC vaak wordt gebruikt als een eenvoudige demonstratie van atmosferische druk, is het ook een apparaat dat complexe samendrukbare stromingsfysica vertoont, wat heeft geresulteerd in tal van open studentenprojecten. De dynamiek van de bal wordt beïnvloed door secundaire factoren zoals wandwrijving, het lekken van lucht rond de bal en de vorming van schokgolven door de versnellende bal. De aanzienlijke versnelling van de bal introduceert een compressiegolf met grote amplitude die door de buis voor de bal reist. Deze compressies reizen sneller dan de lokale geluidssnelheid, wat resulteert in een steiler worden van de compressiegolf en de uiteindelijke vorming van een schokgolf6. Eerder werk heeft de snelle opbouw van druk bij de uitgang van de buis bestudeerd als gevolg van de reflecties van de schokgolf tussen de bal en de afgeplakte uitgang van de buis en de resulterende loslating van de tape voorafgaand aan de uitgang van de bal2. High-speed video met behulp van een single-mirror schlieren imaging techniek heeft de reactie van de tape op de reflecterende schokgolven en de uiteindelijke loslating van de tape bij de uitgang van de PPC 7,8 onthuld (Video 1). De PPC dient dus zowel als een eenvoudige demonstratie van luchtdruk die het publiek van alle leeftijden intrigeert als als een apparaat met complexe vloeistoffysica, die in detail kan worden bestudeerd in een laboratoriumomgeving.
Bij de standaard PPC worden de pingpongbalsnelheden beperkt door de snelheid van het geluid. Deze basisversie van de PPC wordt behandeld in het bestek van dit artikel, samen met een aangepast kanon dat wordt gebruikt om de bal tot supersonische snelheden te boosten. In eerder werk van French et al. zijn supersonische pingpongbalsnelheden bereikt door gebruik te maken van drukgestuurde stroming door een convergerend divergerend mondstuk 9,10,11. De hier gepresenteerde SSPPC maakt gebruik van een onder druk staande (driver) pijp om een groter drukverschil op de pingpongbal te bieden dan alleen door atmosferische druk wordt geleverd. Een dun polyester membraan wordt gebruikt om de driverpijp te scheiden van de geëvacueerde (aangedreven) pijp die de kogel bevat. Dit diafragma scheurt bij voldoende gagedruk (over het algemeen 5-70 psi, afhankelijk van de dikte van het membraan), waardoor de pingpongbal wordt versneld tot snelheden tot Mach 1,4. De supersonische pingpongbal produceert een staande schokgolf, zoals te zien is met behulp van high-speed shadowgraph imaging technieken 7,12 (Video 2).
Een low-power (klasse II) HeNe-laser wordt gebruikt om optische diagnostische studies uit te voeren naar de prestaties van het kanon. De HeNe-laserstraal is verdeeld in twee paden, waarbij het ene pad door een reeks acrylvensters bij de uitgang van het kanon loopt en het tweede pad net voorbij de uitgang van het kanon. Elk pad eindigt op een foto-ontvanger en het signaal wordt weergegeven op een tweekanaals oscilloscoop. Het oscilloscoopspoor dat is geregistreerd tijdens het afvuren van het kanon onthult informatie over zowel de snelheid van de versnelde pingpongbal als de samendrukbare stroming en schokgolven die voorafgaan aan het verlaten van de bal uit het kanon. De snelheid van de pingpongbal met een diameter van 40 mm op elke balklocatie is direct gerelateerd aan de tijd dat de bal de balk blokkeert. Een gevoelige "messcherpe" schokdetectie-opstelling wordt bereikt door de helft van de detector te bedekken met een stuk zwarte elektrische tape en de rand van de tape in het midden van de bundel2 te plaatsen. Met deze opstelling zijn lichte afbuigingen van de He-Ne-laserstraal, geproduceerd door de samendrukbare stroomgeïnduceerde index van brekingsgradiënten, duidelijk zichtbaar als spanningspieken op het oscilloscoopspoor. De schokgolven die naar de uitgang van het kanon reizen en de gereflecteerde schokgolven buigen de straal in tegengestelde richtingen af en worden daarom geïdentificeerd door een positieve of negatieve spanningspiek.
Hier geven we instructies voor de constructie en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC, evenals optische diagnostische technieken (figuur 1, figuur 2 en figuur 3). De optische diagnostische technieken en metingen zijn ontwikkeld door middel van eerdere jaren van studie 1,2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bouw en montage van het pingpongkanon (PPC)
- Monteer alle componenten van de PPC volgens figuur 1.
- Plaats twee zeer heldere acrylvensters in de zijkanten van het kanon om optisch onderzoek door het binnenste van het kanon mogelijk te maken.
- Boor twee 1/2 in gaten door tegenovergestelde zijden van het PVC in de buurt van de uitgang van het kanon.
- Bereid twee 1/8 in dikke acrylvensters met behulp van een lasergraveur. Download de drie aanvullende svg-bestanden.
OPMERKING: Er zijn drie bestanden met het label "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(Aanvullend dossier 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(Aanvullend dossier 2) en "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
(Aanvullend dossier 3). Deze drie bestanden moeten worden gebruikt in de aangegeven volgorde met behulp van het proces dat wordt beschreven in de titel (graveren / knippen). De lasersnelheids- en vermogensinstellingen moeten worden ingesteld volgens de door de fabrikant aanbevolen instellingen voor acryl. Elke graveerstap moet ongeveer 1/3 van de dikte van het materiaal verwijderen. - Voeg siliconenkit toe aan de rand van het acryl en pas op dat er geen op het raam komt. Plaats vervolgens ramen in de gaten en zorg ervoor dat ze loodrecht op elkaar staan. Laat voldoende tijd over voor de siliconen om uit te harden na dit deel van het proces.
OPMERKING: Als er geen lasersnijder beschikbaar is, kan een stuk doorzichtige tape om de omtrek van de buis worden gewikkeld om de 1/2 in gaten af te dichten en als een venster door te werken in het binnenste van de buis. Verdere experimenten kunnen worden uitgevoerd door extra vensters in het kanon te plaatsen om de snelheid en versnelling van de pingpongbal over de lengte van de aangedreven pijp te meten.
- Schuur met behulp van een bandschuurmachine het oppervlak van de flens bij de uitgang van het kanon af. Werk het schuren af met fijnkorrelig schuurpapier zodat de tape goed aan de flens kan hechten.
- Snijd met behulp van een lasersnijder een acryldop volgens "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (aanvullend bestand 4). Bevestig een rubberen pakking met een volledig gezicht aan de acryldop. De acryldop is een onderdeel van de drukafdichting die wordt gebruikt bij het bakken van de PPC.
- Zet het kanon stevig vast voor het afvuren en plaats een stevige container om de pingpongbal veilig te vangen met voldoende vulling om de impact met de achterwand van de container te minimaliseren.
OPMERKING: Er zijn veel oplossingen voor het beveiligen van het pingpongkanon en het veilig vangen van de bal. Voor het gepresenteerde experiment werd een aangepast klemsysteem gemaakt om het kanon stevig vast te zetten met een horizontale oriëntatie. Deze klemmen kunnen worden geconstrueerd volgens "JoVE_CannonMountTemplate.png" (aanvullend dossier 5).- Gebruik Aanvullend bestand 5 als sjabloon om 2 in x 6 in houten planken uit te snijden. Verbind de bovenste en onderste delen van het klemsysteem met een trekvergrendeling en scharnier om het kanon vast te zetten.
- Bekleed de binnenkant van de klemmen met rubberen pakkingmateriaal om het wegglijden van het kanon tijdens het afvuren te voorkomen. Bevestig de aangesloten bovenste en onderste delen van het klemsysteem aan de basis met behulp van vier hoekbeugels.
- Monteer het voltooide klemsysteem op een tafelblad met behulp van vier C-klemmen. Bouw een 13 in x 13 in x 24 in multiplex container, en steun het met vier 1 in multiplex platen om de ping-pong bal te vangen. Plaats een dempingsmateriaal in de container om balrebounds te voorkomen. Monteer deze container met C-klemmen op een tafelblad.
2. Bouw en montage van het supersonische pingpongkanon (SSPPC)
- Monteer alle componenten van de driverpijp volgens figuur 2.
OPMERKING: Het belangrijkste verschil tussen de PPC en de SSPPC is dat de SSPPC is uitgebreid met een rijdende, onder druk staande sectie van schema 80 PVC-buis die is aangesloten op de ingang van de PPC. Daarom, als de PPC al is gebouwd, hoeft alleen nog te worden geassembleerd om de SSPPC te bouwen is het driverpijpgedeelte. - Zet het kanon stevig vast voor het afvuren en plaats een stevige container die de pingpongbal veilig kan vangen met voldoende vulling om de impact op de achterwand van de container te minimaliseren.
OPMERKING: De montage- en vangsystemen die in stap 1.5 worden beschreven, zijn dezelfde systemen die worden gebruikt om de SSPPC te beveiligen.
3. Optische diagnostiek
- Stel de laser, straalsplitser, spiegel en foto-ontvangers in door de componenten op een optisch breadboard te monteren, volgens figuur 3. Oriënteer de laser loodrecht op het kanon, waarbij de eerste straal door de binnenkant van de pijp door de acrylramen gaat en de tweede net buiten de uitgang van het kanon.
- Voed de foto-ontvangers en lasermodule door ze aan te sluiten op een 15 V stroombeperkte voeding en laservoeding. Sluit de foto-ontvangers aan op de twee kanalen van de oscilloscoop met behulp van BNC-kabels.
- Plaats zwarte elektrische tape over de helft van de fotoontvangersensor. De tape dient als een "mesrand" om een gevoelige schokdetectie-opstelling te creëren.
OPMERKING: De gevoeligheid van de mesranddetectie kan verder worden verbeterd met behulp van een convergerende lens om de straal op de mesrand te richten. De gevoeligheid kan ook worden verbeterd door de afstand die de bundel aflegt tot de fotoontvanger te vergroten, wat resulteert in een grotere brekingsverplaatsing van de bundel. - Voordat u het triggerniveau op de oscilloscoop instelt, moet u er speciaal op letten dat u clipping vermijdt, wat het gevolg kan zijn van de gevoeligheid van de mesrandopstelling. Om clipping te voorkomen, past u de positie van de balk op de mesrand zo aan dat de basisspanning ongeveer 50% van de maximale spanning is. De maximale spanning is de spanning wanneer de volledige bundel zich op de onbelemmerde detector bevindt.
- Pas de instellingen op de oscilloscoop aan om 20 miljoen datapunten te verzamelen. Stel de data-acquisitiesnelheid in op 500 MHz door de horizontale schaalknop aan te passen. Draai aan de triggerknop om te struikelen bij een spanning die iets lager is dan de basisspanning die is verkregen van de fotoontvanger.
OPMERKING: De snelheid van de pingpongbal kan worden gevonden door middel van eenvoudige wiskunde met behulp van de foto-ontvanger modules. De snelheid is de diameter van de pingpongbal gedeeld door de tijd dat de balk wordt belemmerd door de bal. Een microprocessor wordt gebruikt om het signaal te verwerken dat wordt ontvangen van de binnenste foto-ontvangermodule om automatisch de snelheid van de bal aan het einde van het kanon te meten.
- Pas de instellingen op de oscilloscoop aan om 20 miljoen datapunten te verzamelen. Stel de data-acquisitiesnelheid in op 500 MHz door de horizontale schaalknop aan te passen. Draai aan de triggerknop om te struikelen bij een spanning die iets lager is dan de basisspanning die is verkregen van de fotoontvanger.
4. Automatische snelheidsmetingen
- Om een microprocessor te gebruiken voor automatische snelheidsmetingen, converteert u het signaal van de fotoontvangermodule naar een 0-5 V-puls, zoals weergegeven in figuur 5, met behulp van een comparator die wordt geactiveerd bij ongeveer 10% van de basisspanning. Sluit het geconverteerde signaal aan op poort 7 van de microprocessor.
- Download "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (Aanvullend bestand 6) en upload het naar de microprocessor.
- Sluit het RA8875-scherm en de driverkaart aan op de aangewezen poorten op de microprocessor.
5. Opzetten en afvuren van het pingpongkanon
- Doe oor- en oogbescherming aan voordat je het kanon afvuurt.
- Steek een pingpongbal in de uitgang van het kanon. Blaas lichtjes in het uiteinde van het kanon totdat de bal de vacuümfitting bij de ingang van de pijp raakt.
- Bevestig een 3 in x 3 in vierkant van tape op de flens aan het uiteinde van het kanon en een tweede vierkant op de acryldop. Sluit de tape zodanig af dat deze zich hecht aan het oppervlak van de flens en de dop.
OPMERKING: Als er rimpels of grote bubbels zijn, moet de tape worden weggegooid. Als de tape niet voldoende aan het oppervlak hecht, kan het vacuüm verloren gaan en kan het kanon voortijdig afvuren. Als op enig moment het vacuüm verloren gaat, kan de naaldklep die op de vacuümpomp is aangesloten, worden geopend om het systeem in evenwicht te brengen. - Zorg ervoor dat de laserstraal gecentreerd is op de rand van het mes, dat de trekker goed is ingesteld en dat de vangcontainer veilig is.
- Zet de vacuümpomp aan om de leiding te evacueren naar een verlaagde absolute druk van minder dan 2 Torr. Zodra een voldoende vacuüm is bereikt, prikt u de tape bij de ingang door met een scherp voorwerp zoals een breedkop of scheermespunt.
- Zet na het stoken de vacuümpomp uit. Verwijder de tape van de uitgangsflens en de acryldop.
6. Opzetten en afvuren van het supersonische pingpongkanon
- Draag voor de veiligheid gehoor- en oogbescherming tijdens het vuurproces.
- Snijd vellen van 0,0005 inch, 0,001 inch en 0,002 in polyesterfolie die overeenkomen met de afmetingen van de flens. Deze vellen kunnen met de hand worden gesneden of, bij voorkeur, met behulp van een lasersnijder. Gebruik het aanvullend dossier "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (Aanvullend Dossier 7) als overzicht.
OPMERKING: Voor het doel van dit experiment werd het kanon afgevuurd met enkele vellen van 0,0005 in, 0,001 in en 0,002 in polyesterfilm, en de resultaten zijn vastgelegd in figuur 7. Een sjabloon om de polyesterfilm te lasersnijden is te vinden als een SVG-bestand (Aanvullend Bestand 7). - Zorg ervoor dat de klep van de luchtcompressor naar de driverpijp gesloten is. Vul de luchtcompressor voor om de driverpijp sneller te vullen wanneer het kanon klaar is om te worden afgevuurd.
- Steek een pingpongbal in de uitgang van het kanon. Blaas lichtjes in het uiteinde van het kanon totdat de bal wordt gestopt door de vacuümfitting bij de ingang van de aangedreven pijp.
- Bevestig een 3 in x 3 in vierkant van tape op het uiteinde van het kanon. Sluit de tape zodanig af dat deze zich hecht aan het oppervlak van de flens.
OPMERKING: Als er rimpels of grote bubbels zijn, moet de tape worden weggegooid. Als de tape niet voldoende aan het oppervlak hecht, kan het vacuüm verloren gaan en kan het kanon voortijdig afvuren. Als het vacuüm lekt of andere complicaties optreden, gebruik dan de drukontlastklep op de driverpijp en de naaldklep op de vacuümpomp om het systeem in evenwicht te brengen. - Plaats een voorgesneden dun polyester membraan tussen twee rubberen pakkingen. Plaats het membraan en de rubberen pakkingen tussen de bestuurder en de aangedreven delen van het kanon. Verbind de twee secties stevig met behulp van 4 nokklemmen.
- Zorg ervoor dat de laserstraal gecentreerd is op de rand van het mes, dat de trekker goed is ingesteld en dat de vangcontainer veilig is.
- Zet de vacuümpomp aan om de leiding te evacueren naar een verlaagde absolute druk van minder dan 2 Torr. Laat de druk van de luchtcompressor los in de driverleiding. Laat de druk stijgen totdat het membraan barst en de perslucht in de aandrijfleiding snel de geëvacueerde aangedreven leiding vult.
- Nadat het kanon is afgevuurd, schakelt u de luchtcompressor en de vacuümpomp uit. Verwijder het gebarsten polyester membraan en tape van het kanon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hier geven we instructies voor de constructie en het gebruik van een PPC en een SSPPC, samen met de implementatie van de optische diagnostiek voor schokkarakterisering en snelheidsmetingen. Er worden ook representatieve experimentele resultaten verstrekt. De voltooide systemen van de PPC en SSPPC, samen met de benodigde accessoires, zijn weergegeven in figuur 1 en figuur 2. De SSPPC is een verbeterde versie van de PPC, waarbij een aangedreven, onder druk staand gedeelte van de buis is aangesloten op de aangedreven pijp van de PPC. De optische diagnose-instelling voor de meskantdetectie van schokgolven en pingpongbalsnelheidsmetingen is weergegeven in figuur 3. Een voorbeeld-oscilloscoopspoor dat de effectiviteit van de optische diagnostiek voor schokkarakterisering en snelheidsmetingen aantoont, wordt getoond in figuur 4, samen met conceptuele schetsen die de beweging van de bal en de reflecterende schokgolven tonen die overeenkomen met het oscilloscoopspoor. De ruwe en verwerkte signalen die door de microprocessor worden ontvangen, samen met een weergave van de LCD-weergegeven snelheidsberekeningen, worden weergegeven in figuur 5. Een representatief tweekanaals oscilloscoopspoor van een succesvolle afvuren van de SSPPC is weergegeven in figuur 6. De oscilloscoopsporen tonen de effectiviteit van de messcherpe opstelling voor de detectie van schokgolven binnen en net voorbij de uitgang van het kanon. De sporen tonen ook een duidelijke afsnijding in het signaal als de bal passeert, die wordt gebruikt voor nauwkeurige balsnelheidsberekeningen. Er werden tests uitgevoerd voor het afvuren van de SSPPC onder verschillende membraanbreukomstandigheden. De correlatie tussen de pingpongbalsnelheden en de SSPPC-diafragmaruptuurcondities is uitgezet in figuur 7.
Figuur 1: Schema van het standaard pingpongkanon. Deze figuur toont de opstelling en lay-out van het standaard pingpongkanon. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Schema van het supersonische pingpongkanon. Deze figuur toont de opstelling en lay-out van het supersonische pingpongkanon. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Schema van de optische diagnostische hardware setup. Deze afbeelding toont de instelling en lay-out van de componenten voor optische diagnostische metingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Representatief oscilloscoopspoor met geïllustreerde schokgolfvoortplanting. Deze figuur toont een zich voortplantende schokgolf die reflecteert tijdens het vuurproces van het kanon, wat wordt weergegeven door een verandering in spanning ten opzichte van de tijd. De vijf snapshots van het kanon geven de richting van de schokvoortplanting weer in combinatie met de positie van de bal in het kanon. De richting van de schokgolf wordt bepaald door een positieve of negatieve piek in het signaal. De snelheid kan worden gemeten door de breedte van de "vierkante" puls veroorzaakt door de kogel die de bundel afsnijdt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Microprocessor signaalconversie en weergave. Hier tonen we het spoor van de intern voelende fotoontvanger veroorzaakt door een typische opname van de PPC. De puls veroorzaakt door de reizende bal wordt omgekeerd door een comparator, extra ruis wordt verwijderd en railed naar 0 V en 5 V, zodat deze gemakkelijk kan worden gelezen door de microprocessor. De breedte van de verwerkte vierkante puls wordt door de microprocessor gelezen en gebruikt om de snelheid te berekenen, die vervolgens op het LCD-scherm wordt weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Representatief oscilloscoopspoor voor het afvuren van de SSPPC. Het tweekanaals oscilloscoopspoor toont het mesrandsignaal voor de bundels die de binnenste (rode) en buitenste (blauwe) gebieden bij de uitgang van het kanon doorkruisen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Afhankelijkheid van de SSPPC pingpongbal exit snelheden van de membraanbreuk. De SSPPC werd gebakken voor een reeks gevallen met behulp van enkele vellen van 0,0005 in, 0,001 inch en 0,002 in polyesterfilm. Het membraandrukverschil bij breuk werd uitgezet ten opzichte van het Mach-getal voor elk geval. Het kanon werd acht keer afgevuurd voor elke dikte van het membraan en de verticale en horizontale foutbalken vertegenwoordigen respectievelijk de standaardfout in het drukverschil en het Mach-getal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Video 1: Schlieren beeldvormingstechniek. De video onthult de reactie van de tape op de reflecterende schokgolven en het uiteindelijke loslaten van de tape bij de uitgang van de PPC. Klik hier om deze video te downloaden.
Video 2: High-speed shadowgraph imaging techniek. De supersonische pingpongbal produceert een staande schokgolf. Klik hier om deze video te downloaden.
Aanvullend dossier 1: JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 2: JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 3: JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 4: JoVE_AcrylicCap_Cut.svg Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 5: JoVE_CannonMountTemplate.png Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 6: JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 7: JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We hebben een methode gepresenteerd voor de constructie van een PPC en een SSPPC, samen met optische diagnostiek voor het meten van kogelsnelheden en voor de karakterisering van schokvoortplanting bij de uitgang van het kanon. De standaard PPC is gebouwd met een 2 m sectie van 1,5 in schema 80 PVC buis. De buis is voorzien van flenzen aan elk uiteinde, snelkoppelingen en acrylramen bij de uitgang voor laserdiagnostiek. Een gedetailleerd schema van de PPC is weergegeven in figuur 1. Voorafgaand aan het afvuren wordt een pingpongbal in het kanon gestoken en worden de uiteinden verzegeld. Het uiteinde van de uitgang wordt afgedicht door tape rechtstreeks op de flens te bevestigen. Aan het andere uiteinde van de buis wordt tape bevestigd over een acryldop met een uitsparing van 1,5 inch en de buis wordt verzegeld met behulp van de acryldop met een rubberen pakking. De PPC is stevig vastgezet en er is een stevige container geplaatst om de pingpongbal veilig te vangen. Het kanon wordt afgevuurd door de pijp te evacueren tot een verminderde absolute druk van minder dan 2 Torr en het kanon met een scherp voorwerp te doorboren. De SSPPC is een verbeterde constructie van de PPC die verhoogde versnellingen en supersonische pingpongbalsnelheden produceert door een onder druk staande sectie van 4 in schema 80 PVC-buis vast te zetten aan de standaard PPC. Een gedetailleerd schema van de SSPPC is weergegeven in figuur 2. Het ene uiteinde van de drukleiding is afgedicht met een dop, terwijl het andere uiteinde is verbonden met de PPC met een reductiekoppeling en flens. De drukleiding is uitgerust met een manometer van 1-100 psi, snelkoppelingen naar een luchtcompressor en een veiligheidsdrukontlastklep. Voorafgaand aan het afvuren wordt de bal in het kanon gestoken en wordt het uiteinde van de uitgang afgedicht door tape op de flens te bevestigen. Vervolgens zijn de driver en de aangedreven secties stevig verbonden met een dun polyester membraan en rubberen pakking ertussen. De SSPPC is beveiligd en een stevige container is gepositioneerd om de pingpongbal veilig te vangen. Na het verlagen van de druk in de aangedreven pijp tot minder dan 2 Torr, wordt het kanon afgevuurd door druk van de luchtcompressor in de driverpijp vrij te geven totdat het membraan barst.
De messcherpe optische diagnostiek is ingesteld op een optisch breadboard met een laser, straalsplitser, spiegel en twee fotoontvangers, zoals weergegeven in figuur 3. De laser is loodrecht op het kanon gericht, waarbij één straal door de binnenkant van de pijp door de acrylramen loopt en een andere straal (van de straalsplitser) net voorbij de uitgang van het kanon passeert. De intensiteiten van de bundels worden verzameld door twee foto-ontvangermodules en het signaal wordt weergegeven op een tweekanaals digitale oscilloscoop. Zwarte elektrische tape wordt op de foto-ontvangersensoren geplaatst om ongeveer de helft van elke straal te blokkeren. De tape dient als mesrand en verhoogt de gevoeligheid om kleine dwarse afbuigingen te detecteren die worden geproduceerd door schokgolven of andere dichtheidsvariaties in de stroming. Gegevens van de foto-ontvangers worden automatisch geregistreerd wanneer het kanon wordt afgevuurd door de oscilloscoop te activeren wanneer de bal de eerste straal doorkruist. Voordat het triggerniveau op de oscilloscoop wordt ingesteld, moet speciale aandacht worden besteed aan het voorkomen van clipping, die het gevolg kan zijn van de gevoeligheid van het mesrandsysteem. Clipping kan worden voorkomen door de positie van de balk op de mesrand zodanig aan te passen dat de basisspanning ongeveer 50% van de maximale spanning is. De pingpongbalsnelheden worden berekend met behulp van de sporen van de foto-ontvangermodules. Een eenvoudige en nauwkeurige berekening van de snelheid wordt gemaakt door de diameter van de pingpongbal te delen door de tijd dat de balk wordt belemmerd door de bal. Een microprocessor wordt gebruikt om het signaal te verwerken dat wordt ontvangen van de straal die het binnenste van de pijp doorkruist om automatisch de snelheid van de bal bij de uitgang van het kanon te berekenen en weer te geven.
De resultaten van deze methode zijn zeer reproduceerbaar en bieden een onmiddellijke digitale weergave van de pingpongbalsnelheden, waardoor de waarde van het kanon als demonstratieapparaat wordt verhoogd. Het oscilloscoopspoor met behulp van de mesrandopstelling bevat een rijke visuele weergave van de samendrukbare stroming en schokgolven die bij het kanon horen. Deze methode richt zich op een experiment dat wordt beïnvloed door vele secundaire factoren die verder kunnen worden bestudeerd in een laboratoriumomgeving, zoals wandwrijving, het lekken van lucht rond de bal, de vorming van schokgolven door de versnellende bal, de snelle opbouw van druk geproduceerd door de reflectie van schokgolven tussen de bal en de afgeplakte uitgang, en het daaropvolgende loslaten van de tape voorafgaand aan het verlaten van de bal. Een representatief oscilloscoopspoor van het afvuren van de SSPPC is weergegeven in figuur 6. Het bovenste spoor in de figuur komt overeen met de balk die het binnenste van het kanon bij de uitgang doorkruist. Het onderste spoor komt overeen met de balk die het pad van de pingpongbal doorkruist net na het verlaten van het kanon. Een duidelijke afsnijding in het signaal is duidelijk als de bal passeert en elke straal belemmert. Spanningspieken voorafgaand aan de kogelpassage, geïntroduceerd door het voortplanten van schokgolven, worden versterkt door de messcherpe detectie-instelling en zijn op elk spoor te zien. De opeenvolgende spanningspieken in het bovenste spoor keren om door de reflectie van de schokgolven in het kanon tussen de bal en de tape. Daarentegen bevindt elke spanningspiek op het onderste spoor zich in dezelfde richting omdat de schokgolven buiten het kanon niet reflecteren en een tweede keer door de buitenstraal gaan.
Naast de experimenten die zijn gepresenteerd, kunnen vervolgprojecten van studenten worden ontworpen om extra controle te bieden over de testomstandigheden tijdens het afvuren van het kanon. De huidige SSPPC vuurt bijvoorbeeld op natuurlijke breuk van het membraan nadat een voldoende drukverschil is opgebouwd tussen de twee delen van de pijp. De ontwikkeling van een door de gebruiker gecontroleerd breekmechanisme dat door de gebruiker wordt geïnitieerd of automatisch wordt geactiveerd bij een gewenste driverdruk, zou een grotere precisie mogelijk maken bij het regelen van de testomstandigheden. Andere vervolgprojecten kunnen gericht zijn op het meten van de snelheid van de pingpongbal op meerdere posities in een enkel afvuren van het kanon om een completere beschrijving te geven van de snelheid en versnelling van de bal terwijl deze door de pijp reist. Snelheidsmetingen in de PPC als functie van de positie zijn eerder bestudeerd, maar met elk snelheidsgegevenspunt verkregen uit afzonderlijke vuren van de PPC1.
Het pingpongkanon blijft een demonstratie die intriges en nieuwsgierigheid opwekt bij publiek van alle leeftijden en types. De complexe vloeistoffysica die door het kanon wordt tentoongesteld, zal een schijnbaar onbeperkt aanbod van vervolgstudies blijven bieden die kunnen worden onderzocht in natuurkundige en technische laboratoriumprojecten. In de klas zal het blijven dienen als een populaire demonstratie die opwinding en intriges stimuleert over de omvang van de atmosferische druk. We verwachten dat de methoden voor de constructie van de SSPPC en de optische diagnostiek die we hebben gepresenteerd de waarde van het kanon zullen vergroten, zowel als een demonstratieapparaat als een nuttig apparaat voor spannende laboratoriumexperimenten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk wordt ondersteund door de NSF Division of Undergraduate Education (award # 2021157) als onderdeel van het IUSE: EHR-programma
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).
