وضع الإعداد التجريبية لقياس معامل الرد تحت ظروف الفراغ

الهدف العام من هذا الإعداد التجريبي هو قياس معامل الارتداد للجسيمات المتصادمة تحت ظروف الفراغ. يمكن أن تساهم هذه الطريقة في حل المشكلات الهندسية نظرًا لأن معامل الارتداد يدخل في أي عملية هندسية مثل نقل المواد الصلبة الحبيبية ومناولتها وتخزينها في الصناعة الهندسية. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه الطريقة في إمكانية تطبيقها على المساحيق الناعمة تحت ظروف الفراغ دون تسريع الجسيم عند دخوله إلى الغرفة.

سيقوم سفين دروكر، وهو طالب دراسات عليا في مختبري، بشرح الإجراء. وهو يعمل في إطار مشروع يسمى Pardem. للعمل مع جزيئات من أي حجم، قم أولاً بإزالة الغطاء الواقي الموجود فوق غرفة التفريغ وارفع الغطاء العلوي.

بعد ذلك، اختر اللوحة القاعدية ذات مادة الجدار المطلوبة وأدخلها في الغرفة. ثم، قم بتدوير الجزء السفلي من غرفة التفريغ جانبياً ومرر اللوحة القاعدية بعناية إلى موضعها. تالياً، وباستخدام الملاقط، ضع جسيماً واحداً بالضبط وبحجم معروف في مركز اللوحة القاعدية.

بعد ذلك، اضبط موضع كاميرا فيديو عالية السرعة مثبتة على حامل ثلاثي القوائم بحيث تكون اللوحة القاعدية في الربع السفلي من المجال البصري ويكون التركيز على الجسيم. اضبط الكاميرا عالية السرعة لتسجيل 10,000 إطار في الثانية بدقة 528 في 396 بكسل. ثم، التقط مقطع فيديو قصير للجسيم لأغراض مرجعية.

لا تنسَ إزالة الجسيم بعد ذلك. عند العمل مع جسيمات يبلغ قطرها 700 ميكرون أو أكثر خشونة، قم أولاً بضبط ارتفاع حجرة الجسيمات بحيث يتم الوصول إلى سرعة الاصطدام المطلوبة. قم بقياس الارتفاع باستخدام المقياس المثبت على لوحة التثبيت.

بعد ذلك، أغلق غرفة الجزيئات باستخدام طرف ماصة. والآن، ارفع الغطاء العلوي لغرفة التفريغ وضع كرة واحدة داخل غرفة الجزيئات باستخدام ملقط. يوضح هذا المثال كرة صلبة.

ومع ذلك، يمكن أيضاً اختبار الكرات الممتلئة بالسوائل. ضع الغطاء العلوي على الجزء السفلي من غرفة التفريغ، وقم بتوصيل الغطاء العلوي والجزء السفلي من غرفة التفريغ باستخدام الكم. الآن، ارتدِ نظارات السلامة قبل البدء في توليد الفراغ.

استخدم المضخة لتفريغ الغرفة حتى يتم الوصول إلى الضغط المطلوب. الضغط المستهدف في هذا العرض التوضيحي هو 0.1 millibars. بعد ذلك، أغلق الصمام الموجود على جانب الغرفة وأوقف تشغيل المضخة.

عند هذه النقطة، ابدأ تسجيل الفيديو. وأثناء التسجيل، افتح فتحة غرفة الجسيمات لتحرير الجسيم، وفي الوقت ذاته اسحب وأدر العصا المتصلة بطرف الماصة. سيمنع ذلك حدوث مشكلات الانزلاق والالتصاق الناتجة عن الاحتكاك العالي بين العصا والحلقة المانعة للتسرب.

بمجرد حدوث التصادم، أوقف التسجيل فوراً. يمكن حفظ عدد محدود فقط من الإطارات، ويتم الكتابة فوق الإطارات الأولى بمجرد تجاوز هذا الحد. قم بقص المقطع حول لحظة التصادم على الشاشة، واحفظه على بطاقة الذاكرة.

توقع تكرار التجربة حوالي 10 مرات للحصول على قيمة رئيسية دقيقة. عند العمل مع جسيمات أدق، استخدم نفس الإجراء أساساً مع إجراء بعض التعديلات. قم بوضع 50 إلى 100 كرة على ورقة مطوية، ثم انقل الجسيمات من الورقة إلى الحجرة.

عند سحب العصا في بداية التجربة، اسحبها ببطء شديد لمنع سقوط جميع الجسيمات في وقت واحد. عند قص المقطع المرئي، قم بذلك بطريقة تضمن ظهور 10 تأثيرات على الأقل بتركيز واضح. وقبل تقييم البيانات، من الضروري أولاً معايرة البرنامج.

قم بتحميل إطار يحتوي على الجسيم ذو الحجم المعروف الذي تم الحصول عليه أثناء مرحلة الإعداد. بعد ذلك، قم بحساب عدد بكسلات القطر الأفقي وقسم المسافة المعروفة على عدد البكسلات للحصول على عامل التحويل، وهو المسافة لكل بكسل. ويُعد القطر الأفقي أسهل في الاستخدام نظرًا للتباين بين الجسيم والخلفية البيضاء.

لحساب سرعة التصادم، حدد نقطة مرجعية للحركة على الجزء العلوي من الكرة قبل 10 إطارات من نقطة التصادم، ونقطة مرجعية ثانية قبل إطار واحد من التصادم. استخدم عدد البكسلات بين النقطتين ومعامل التحويل لحساب المسافة المقطوعة. ثم، اقسم المسافة على الزمن المنقضي بين تسعة إطارات للحصول على سرعة التصادم.

لحساب سرعة الارتداد، استخدم نقاط مرجعية على الجزء العلوي من الكرة، وذلك بعد إطار واحد من التصادم وعشرة إطارات بعد التصادم. وأخيراً، احسب معامل الارتداد، أو COR، كنسبة سرعة الارتداد إلى سرعة التصادم. كرر جميع هذه الخطوات لتقييم جميع مقاطع فيديو اختبار الإسقاط المسجلة.

سُقطت جسيمات زجاجية تتراوح أقطارها بين 100 microns وأربعة ملليمترات من ارتفاع ابتدائي قدره 200 ملليمتر على لوحة قاعدة من الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 20 ملليمتر. بلغت القيمة المتوسطة لمعامل الارتداد (COR) حوالي 0.9 للجسيمات التي يبلغ قطرها 700 microns أو أكبر. وكانت هذه النتيجة مستقلة عن ضغط الهواء.

بالنسبة للجزيئات التي يقل قطرها عن 400 ميكرون، كان معامل الارتداد (COR) ثابتًا تقريبًا بقيمة 0.9 في ظروف الفراغ. أما تحت الضغط الجوي، فقد انخفض معامل الارتداد مع زيادة قطر الجزيئات. واعتمدت نتائج سرعة التصادم على حجم الجزيئات والضغط الجوي.

كانت المساحيق الناعمة أبطأ بكثير تحت الضغط الجوي، بينما انخفضت سرعة ارتطامها بشكل طفيف فقط تحت ظروف الفراغ. وأظهرت البيانات بعض القيم الشاذة الاستثنائية عند 700 ميكرون والتي قد تكون نتجت عن معايرة خاطئة. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية قياس معامل الارتداد في تجارب السقوط الحر تحت ظروف الفراغ.

بمجرد إتقان هذه الطريقة، يمكن تنفيذها في غضون ساعة ونصف لعشر جسيمات إذا تم تطبيقها بشكل صحيح. لا تنسَ أن العمل باستخدام أسطوانة زجاجية في ظروف تفريغ هو أمر خطير للغاية، ويجب اتخاذ الاحتياطات دائمًا.