وصفنا طريقة لبناء مدفع بينج بونج أسرع من الصوت (SSPPC) جنبا إلى جنب مع تقنيات التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة وتوصيف انتشار موجات الصدمة أثناء إطلاق المدفع.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
* These authors contributed equally
وصفنا طريقة لبناء مدفع بينج بونج أسرع من الصوت (SSPPC) جنبا إلى جنب مع تقنيات التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة وتوصيف انتشار موجات الصدمة أثناء إطلاق المدفع.
مدفع كرة الطاولة التقليدي (PPC) هو جهاز تعليمي يطلق كرة بينج بونج أسفل أنبوب مفرغ إلى سرعات صوتية تقريبا باستخدام الضغط الجوي وحده. يحقق SSPPC ، وهو نسخة معززة من PPC ، سرعات تفوق سرعة الصوت من خلال تسريع الكرة بضغط أكبر من الضغط الجوي. نحن نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC الأمثل و SSPPC.
يتم تنفيذ التشخيص البصري لغرض التحقيق في ديناميات المدفع. يتم إنهاء ليزر HeNe الذي يتم إرساله عبر نافذتين من الأكريليك بالقرب من مخرج الأنبوب على مستشعر جهاز استقبال ضوئي. يقيس المعالج الدقيق الوقت الذي تعيق فيه كرة البينج بونج الحزمة لحساب سرعة الكرة تلقائيا. يتم عرض النتائج على الفور على شاشة LCD.
يوفر إعداد حافة السكين البصري وسيلة حساسة للغاية للكشف عن موجات الصدمة عن طريق قطع جزء صغير من شعاع HeNe في المستشعر. تتسبب موجات الصدمة في انحرافات الحزمة الناتجة عن الانكسار ، والتي يتم ملاحظتها على أنها طفرات صغيرة في الجهد في الإشارة الكهربائية من جهاز الاستقبال الضوئي.
الطرق المقدمة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة وتوفر الفرصة لمزيد من التحقيق في بيئة مختبرية.
PPC هو عرض فيزيائي شائع يستخدم لإظهار ضغط الهواء الهائل الذي يتعرض له الناس باستمرار1،2،3،4،5. يتضمن العرض التوضيحي وضع كرة بينج بونج في قسم من الأنبوب له قطر داخلي يساوي تقريبا قطر الكرة. يتم إغلاق الأنبوب من كل طرف بشريط ويتم إخلاؤه إلى ضغط داخلي أقل من 2 Torr. يتم ثقب الشريط الموجود على أحد طرفي الأنبوب ، مما يسمح للهواء بدخول المدفع ويتسبب في تعرض الكرة لتسارع ذروة يبلغ حوالي 5000 جرام. تخرج الكرة، التي تتسارع بالضغط الجوي وحده، من المدفع بسرعة ٣٠٠ م/ث تقريبا بعد أن تحركت مسافة ٢ م.
على الرغم من أن PPC يتم تشغيله بشكل شائع كعرض بسيط للضغط الجوي ، إلا أنه أيضا جهاز يعرض فيزياء التدفق القابلة للانضغاط المعقدة ، مما أدى إلى العديد من مشاريع الطلاب المفتوحة. تتأثر ديناميكيات الكرة بعوامل ثانوية مثل احتكاك الجدار ، وتسرب الهواء حول الكرة ، وتشكيل موجات الصدمة بواسطة الكرة المتسارعة. تقدم عجلة الكرة الكبيرة موجة ضغط كبيرة السعة تنتقل لأسفل الأنبوب أمام الكرة. تنتقل هذه الضغطات أسرع من سرعة الصوت المحلية ، مما يؤدي إلى انحدار موجة الضغط وتشكيلموجة الصدمة 6 في نهاية المطاف. درست الأعمال السابقة التراكم السريع للضغط عند مخرج الأنبوب بسبب انعكاسات موجة الصدمة بين الكرة والخروج المسجل للأنبوب والانفصال الناتج عن الشريط قبل خروج الكرة2. كشف الفيديو عالي السرعة باستخدام تقنية تصوير schlieren أحادية المرآة عن استجابة الشريط لموجات الصدمة العاكسة والانفصال النهائي للشريط عند مخرج PPC 7,8 (الفيديو 1). وبالتالي ، فإن PPC بمثابة عرض بسيط لضغط الهواء الذي يثير اهتمام الجماهير من جميع الأعمار وكجهاز يعرض فيزياء السوائل المعقدة ، والتي يمكن دراستها بتفصيل كبير في بيئة معملية.
مع PPC القياسي ، تكون سرعات كرة الطاولة محدودة بسرعة الصوت. تمت تغطية هذه النسخة الأساسية من PPC في نطاق هذه الورقة ، جنبا إلى جنب مع مدفع معدل يستخدم لتعزيز الكرة إلى سرعات تفوق سرعة الصوت. في العمل السابق الذي قام به French et al. ، تم تحقيق سرعات كرة بينج بونج الأسرع من الصوت من خلال استخدام التدفق المدفوع بالضغط من خلال فوهة متقاربة متباعدة9،10،11. يستخدم SSPPC المعروض هنا أنبوبا مضغوطا (سائقا) لتوفير فرق ضغط أكبر على كرة البينج بونج مما يوفره الضغط الجوي وحده. يتم استخدام غشاء بوليستر رقيق لفصل أنبوب التشغيل عن الأنبوب الذي تم إخلاؤه (مدفوع) الذي يحتوي على الكرة. يتمزق هذا الحجاب الحاجز تحت ضغط قياس كاف (بشكل عام 5-70 رطل / بوصة مربعة ، اعتمادا على سمك الحجاب الحاجز) ، وبالتالي تسريع كرة البينج بونج إلى سرعات تصل إلى 1.4 ماخ. تنتج كرة البينج بونج الأسرع من الصوت موجة صدمة دائمة ، كما يمكن رؤيته باستخدام تقنيات تصوير الظل عالية السرعة 7,12 (فيديو 2).
يتم استخدام ليزر HeNe منخفض الطاقة (الفئة الثانية) لإجراء دراسات تشخيصية بصرية حول أداء المدفع. ينقسم شعاع الليزر HeNe إلى مسارين ، حيث يمر مسار واحد عبر مجموعة من نوافذ الأكريليك بالقرب من مخرج المدفع والمسار الثاني يمر بعد مخرج المدفع مباشرة. ينتهي كل مسار على جهاز استقبال ضوئي ، ويتم عرض الإشارة على راسم الذبذبات ثنائي القناة. يكشف تتبع الذبذبات المسجل أثناء إطلاق المدفع عن معلومات حول كل من سرعة كرة البينج بونج المتسارعة والتدفق القابل للانضغاط وموجات الصدمة التي تسبق خروج الكرة من المدفع. ترتبط سرعة كرة البينج بونج التي يبلغ قطرها 40 مم في كل موقع شعاع ارتباطا مباشرا بالوقت الذي تحجب فيه الكرة الحزمة. يتم تحقيق إعداد حساس للكشف عن الصدمات "حافة السكين" من خلال تغطية نصف الكاشف بقطعة من الشريط الكهربائي الأسود ووضع حافة الشريط في مركز الحزمة2. مع هذا الإعداد ، تكون الانحرافات الطفيفة لشعاع الليزر He-Ne ، الناتجة عن مؤشر التدفق الناجم عن الانضغاط لتدرجات الانكسار ، مرئية بوضوح كطفرات في الجهد على تتبع راسم الذبذبات. موجات الصدمة التي تنتقل نحو مخرج المدفع وموجات الصدمة المنعكسة تنحرف الحزمة في اتجاهين متعاكسين ، وبالتالي ، يتم تحديدها إما من خلال ارتفاع الجهد الإيجابي أو السلبي.
هنا ، نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC و SSPPC الأمثل ، بالإضافة إلى تقنيات التشخيص البصري (الشكل 1 والشكل 2 والشكل 3). تم تطوير تقنيات وقياسات التشخيص البصري خلال السنوات السابقة من الدراسة 1,2.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. بناء وتجميع مدفع كرة الطاولة (PPC)
2. بناء وتجميع مدفع بينج بونج الأسرع من الصوت (SSPPC)
3. التشخيص البصري
4. قياسات السرعة التلقائية
5. إعداد وإطلاق مدفع كرة الطاولة
6. إعداد وإطلاق مدفع بينج بونج الأسرع من الصوت
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
هنا ، نقدم تعليمات لبناء واستخدام PPC و SSPPC ، جنبا إلى جنب مع تنفيذ التشخيص البصري لتوصيف الصدمات وقياسات السرعة. كما يتم توفير نتائج تجريبية تمثيلية. يتم عرض الأنظمة المكتملة ل PPC و SSPPC ، جنبا إلى جنب مع الملحقات الضرورية ، في الشكل 1 والشكل 2. SSPPC هي نسخة معززة من PPC ، حيث يتم توصيل قسم مضغوط من الأنبوب المدفوع ل PPC. يظهر إعداد التشخيص البصري للكشف عن حافة السكين لموجات الصدمة وقياسات سرعة كرة البينج بونج في الشكل 3. يظهر...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
لقد قدمنا طريقة لبناء PPC و SSPPC جنبا إلى جنب مع التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة وتوصيف انتشار الصدمات بالقرب من مخرج المدفع. تم إنشاء PPC القياسي بقسم 2 متر من 1.5 في الجدول 80 الأنابيب البلاستيكية. الأنبوب مزود بحواف في كل طرف ، وتركيبات تفريغ سريعة التوصيل ، ونوافذ أكريليك بالقرب من المخرج لتشخيص الليزر. يظهر مخطط تفصيلي ل PPC في الشكل 1. قبل إطلاق النار ، يتم إدخال كرة بينج بونج في المدفع ، ويتم إغلاق الأطراف. يتم إغلاق نهاية الخروج عن طريق تثبيت الشريط مباشرة على الحافة. في الطرف الآخ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
يتم دعم هذا العمل من قبل قسم NSF للتعليم الجامعي (جائزة # 2021157) كجزء من IUSE: برنامج EHR
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 15 فولت تيار محدود امدادات الطاقة | تركيز جديد | 0901 | الكمية: 1 |
| 2 "× 6" لوح | هوم ديبوت | BTR KD-HT S | الكمية: 1 |
| 5.0 "40 دبوس 800 × 480 شاشة TFT | Adafruit | 1680 | الكمية: 1 |
| مقياس الضغط المطلق | McMaster-Carr | 1791T3 | 0 & ndash ؛ 20 [تور] | الكمية: 1 |
| كابل بورتر ضاغط هواء | C2002 | 6 جالون | الكمية: 1 | |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | الكمية: 1 |
| صمام تخفيف الضغط سريع المفعول ASME-Code ل Air | McMaster-Carr | 5784T13 | مطلي بالنيكل ، 3/8 NPT ، 125 رطل لكل بوصة مربعة ضبط الضغط | الكمية: 1 |
| شريط كهربائي أسود | McMaster-Carr | 76455A21 | الكمية: 1 |
| كابل BNC | رقم Digikey | 115-095-850-277M050-ND | الكمية: 2 |
| مرآة عازلة عريضة | THORLABS | BB05-E02 | 400 & ndash ؛ 750 نانومتر ، & أوسلاش. 1/2 بوصة | الكمية: 1 |
| C-Clamp | McMaster-Carr | 5133A15 | فتحة 3 بوصات ، وصول 2 بوصة | الكمية: 6 |
| كام المشبك | روكلر | 58252 | الحجم: 5/16 "-18 | الكمية: 2 (2 عبوة) |
| الضغط الرقمي | أوميغا الهندسية ، Inc. | DPG104S | 0 & - - - ضغط مطلق 100 رطل لكل بوصة مربعة ، مع الإخراج والإنذارات | الكمية: 1 |
| مقياس الضغط الرقمي | أوميغا الهندسية ، Inc. | DPG104S | 0 & - - - ضغط مطلق 100 رطل لكل بوصة مربعة ، مع الإخراج والإنذارات | الكمية: 1 |
| مزلاج سحب | McMaster-Carr | 1889A37 | الحجم: 3 3/4 بوصة × 7/8 بوصة | الكمية: 4 |
| لوحة سائق لشاشات TFT التي تعمل باللمس 40 سنا | Adafruit | 1590 | الكمية: 1 |
| حشية EPDM كاملة | الوجه عبر الإنترنت | 155G125125FF150 | الكمية: 2 |
| مادة الحشية | McMaster-Carr | 9470K41 | 15 × 15 بوصة ، 1/8 بوصة سميكة | الكمية: 1 |
| Glowforge Plus | Glowforge | Glowforge Plus | الكمية: 1 |
| HeNe Laser | أحادي الطور | 1108 | الفئة 2 | الكمية: 1 |
| ختم صندوق عالي | الارتفاع سكوتش | 53344 | 72 مم بعرض ؛ |
| مزود طاقة ليزر | أحادي الطور | 1201-1 | 115 فولت .12 أمبير | الكمية: 1 |
| LM311 المقارنة | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | الكمية: 1 |
| مرآة جبل | THORLABS | FMP05 | ثابت & Oslash; 1/2 "، 8 & ndash ؛ 32 اضغط | الكمية: 1 |
| فيلم بوليستر مقاوم للرطوبة | McMaster-Carr | 8567K102 | 10 × 0.0005 بوصة × 27 بوصة | الكمية: 1 |
| فيلم بوليستر مقاوم للرطوبة | McMaster-Carr | 8567K12 | 10 × 0.001 بوصة × 40 بوصة | الكمية: 1 |
| فيلم بوليستر مقاوم للرطوبة | McMaster-Carr | 8567K22 | 10 × 0.002 بوصة × 40 بوصة | الكمية: 1 |
| مفصلة مثبتة على مورتيز مع ثقوب | McMaster-Carr | 1598A52 | الحجم: 1 بوصة × 1/2 بوصة | الكمية: 4 |
| إبرة صمام | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | الكمية: 1 |
| شعاع غير مستقطب | THORLABS | BS037 | الحجم: 10 مم | الكمية: 2 |
| الجدول اللافلزي PVC 40 | Cantex | A52BE12 | الكمية: 2.5 م & nbsp ؛ |
| Oatey PVC الأسمنت والتمهيدي | التركيبات عبر الإنترنت | 30246 | الكمية: 1 |
| حشية Buna-N قابلة للانضغاط مقاومة للزيت مع ثقوب ولاصق | McMaster-Carr | 8516T454 | 1-1 / 2 حجم الأنبوب ، ANSI 150 ، 1/16 بوصة سميكة | الكمية: 1 |
| Oscilliscope | Tektronix | TBS2102 | الكمية: 1 |
| جهاز استقبال ضوئي | جديد التركيز | 1801 | 125 ميجا هرتز | الكمية: 2 |
| كرات بينغ بونج MAPOL | FBA_MP-001 | حامل منصة ثلاث نجوم | |
| لجهاز تقسيم الشعاع 10 مم ومنشورات الزاوية اليمنى | THORLABS | BSH10 | 4-40 Tap | الكمية: 1 |
| عالية الوضوح الاكريليك | Glowforge | NA | السماكة: 1/8 " | الكمية: 1 |
| Sch 80 PVC Cap | PVC التركيبات عبر الإنترنت | 847-040 | الحجم: 4 " | الكمية: 1 |
| Sch 80 PVC | الأنابيب البلاستيكية التجهيزات عبر الإنترنت | 8008-040AB-5 | الكمية: 5 قدم |
| Sch 80 PVC المخفض اقتران | تركيبات PVC عبر الإنترنت | 829-419 | الحجم: 4 "× 1-1 / 2" | الكمية: 1 |
| Sch 80 PVC Slip Flange | التركيبات عبر الإنترنت | 851-015 | الحجم: 1 1/2 " | الكمية: 3 |
| سيليكون مانع التسرب داو كورنينج | ماكماستر كار | 7587A2 | 3 أونصة أنبوب شفاف | الكمية: 1 |
| قوس زاوية فولاذي | McMaster-Carr | 1556A42 | الحجم: 1 1/2 بوصة × 1 1/2 بوصة × 1/2 بوصة | الكمية: 16 |
| مضخة فراغ | Mastercool | & nbsp ؛ MSC-90059-MD | 1 مرحلة ، 1.5 قدم مكعب في الدقيقة ، 1 / 6 حصان ، 115 فولت / 60 هرتز |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.