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
التشخيص البصري عالي السرعة لمدفع بينج بونج أسرع من الصوت
* These authors contributed equally
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
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.
المقدمة
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.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. بناء وتجميع مدفع كرة الطاولة (PPC)
- قم بتجميع جميع مكونات PPC وفقا للشكل 1.
- أدخل نافذتين من الأكريليك عالي الوضوح في جانبي المدفع للسماح بالفحص البصري عبر الجزء الداخلي من المدفع.
- حفر اثنين 1/2 في ثقوب من خلال جوانب متقابلة من PVC بالقرب من مخرج المدفع.
- تحضير اثنين 1/8 في نوافذ الاكريليك سميكة باستخدام حفارة الليزر. قم بتنزيل ملفات svg التكميلية الثلاثة.
ملاحظة: هناك ثلاثة ملفات بعنوان "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(الملف التكميلي 1)، "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(الملف التكميلي 2) و"JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
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.
المناقشة
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.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
شكر وتقدير
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.
المواد
| 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 |
المراجع
- 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).
- ....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
