Name: التشخيص البصري عالي السرعة لمدفع بينج بونج أسرع من الصوت (فيديو) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T13:10:00.000+00:00
Duration: 5 min 40 s
Description: تعلم بناء مدفع بينج بونج أسرع من الصوت واستخدام التشخيص البصري لقياس سرعات الكرات وكشف الموجات الصدمية. هذه التقنية تفيد الباحثين في مجالات الفيزياء والهندسة.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

يتم دعم هذا العمل من قبل قسم NSF للتعليم الجامعي (جائزة # 2021157) كجزء من IUSE: برنامج EHR

1. بناء وتجميع مدفع كرة الطاولة (PPC)
<ol><li>قم بتجميع جميع مكونات PPC وفقا للشكل 1.</li>
	<li>أدخل نافذتين من الأكريليك عالي الوضوح في جانبي المدفع للسماح بالفحص البصري عبر الجزء الداخلي من المدفع.<ol><li>حفر اثنين 1/2 في ثقوب من خلال جوانب متقابلة من PVC بالقرب من مخرج المدفع.</li>
		<li>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" (الملف التكميلي 3). يجب استخدام هذه الملفات الثلاثة بالترتيب المقدم باستخدام العملية الموضحة في العنوان (نقش / قص). يجب ضبط سرعة الليزر وإعدادات الطاقة وفقا للإعدادات الموصى بها من قبل الشركة المصنعة للأكريليك. يجب أن تزيل كل خطوة نقش حوالي 1/3 من سمك المادة.</li>
		<li>أضف مادة مانعة للتسرب من السيليكون إلى حافة الأكريليك ، مع الحرص على عدم وجود أي منها على النافذة. بعد ذلك ، ضع النوافذ في الثقوب ، وتأكد من أنها متعامدة مع بعضها البعض. اترك متسعا من الوقت حتى يعالج السيليكون بعد هذا الجزء من العملية. ملاحظة: في حالة عدم توفر قاطع ليزر ، يمكن لف قطعة من الشريط الشفاف حول محيط الأنبوب لإغلاق 1/2 في الثقوب والعمل كنافذة داخل الأنبوب. يمكن إجراء مزيد من التجارب عن طريق إدخال نوافذ إضافية في المدفع لقياس سرعة وتسارع كرة البينج بونج على طول الأنبوب المدفوع.</li>
	</ol></li>
	<li>باستخدام صنفرة الحزام ، قم بالرمل من وجه الحافة عند مخرج المدفع. قم بإنهاء الصنفرة بورق صنفرة ناعم الحبيبات بحيث يمكن للشريط أن يلتصق جيدا بالحافة.</li>
	<li>باستخدام قاطع ليزر ، قم بقص غطاء أكريليك بعد "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (الملف التكميلي 4). قم بتوصيل حشية مطاطية كاملة الوجه بغطاء الأكريليك. غطاء الأكريليك هو أحد مكونات ختم الضغط المستخدم عند إطلاق PPC.</li>
	<li>قم بتأمين المدفع بإحكام لإطلاق النار ، وضع حاوية قوية للقبض على كرة البينج بونج بأمان مع حشوة وافرة لتقليل التأثير بالجدار الخلفي للحاوية. ملاحظة: هناك العديد من الحلول لتأمين مدفع كرة الطاولة والتقاط الكرة بأمان. بالنسبة للتجربة المقدمة ، تم إنشاء نظام تثبيت مخصص لتأمين المدفع بإحكام باتجاه أفقي. يمكن بناء هذه المشابك باتباع "JoVE_CannonMountTemplate.png" (الملف التكميلي 5).<ol><li>استخدم الملف التكميلي 5 كقالب لقص 2 بوصة × 6 في ألواح خشبية. قم بتوصيل الأجزاء العلوية والسفلية من نظام التثبيت بمزلاج سحب ومفصلة لتأمين المدفع.</li>
		<li>قم بتبطين الأجزاء الداخلية من المشابك بمادة حشية مطاطية لمنع انزلاق المدفع أثناء عملية إطلاق النار. قم بتوصيل الأجزاء العلوية والسفلية المتصلة من نظام التثبيت بالقاعدة باستخدام أربعة أقواس زاوية.</li>
		<li>قم بتركيب نظام التثبيت المكتمل على سطح الطاولة باستخدام أربعة مشابك C. قم ببناء حاوية من الخشب الرقائقي مقاس 13 بوصة × 13 بوصة × 24 بوصة ، وادعمها بأربعة ألواح من الخشب الرقائقي مقاس 1 بوصة للقبض على كرة البينج بونج. ضع مادة توسيد في الحاوية لمنع ارتداد الكرة. قم بتركيب هذه الحاوية بمشابك C على سطح الطاولة.</li>
	</ol></li>
</ol>2. بناء وتجميع مدفع بينج بونج الأسرع من الصوت (SSPPC)
<ol><li>قم بتجميع جميع مكونات أنبوب التشغيل باتباع الشكل 2. ملاحظة: يتمثل الاختلاف الأساسي بين PPC و SSPPC في أن SSPPC معزز بقسم مضغوط للقيادة من الجدول 80 PVC pipe متصل بمدخل PPC. لذلك ، إذا تم بالفعل إنشاء PPC ، فكل ما تبقى ليتم تجميعه لبناء SSPPC هو قسم أنبوب التشغيل.</li>
	<li>قم بتأمين المدفع بإحكام لإطلاق النار ووضع حاوية قوية يمكنها التقاط كرة البينج بونج بأمان مع حشوة وافرة لتقليل التأثير على الجدار الخلفي للحاوية. ملاحظة: أنظمة التركيب والالتقاط الموضحة في الخطوة 1.5 هي نفس الأنظمة المستخدمة لتأمين SSPPC.</li>
</ol>3. التشخيص البصري
<ol><li>قم بإعداد الليزر ومقسم الشعاع والمرآة وأجهزة الاستقبال الضوئية عن طريق تركيب المكونات على لوح تجارب بصري ، وفقا للشكل 3. قم بتوجيه الليزر بشكل عمودي على المدفع ، حيث يمر الشعاع الأول عبر الجزء الداخلي من الأنبوب عبر نوافذ الأكريليك ويمر الثاني خارج مخرج المدفع مباشرة.</li>
	<li>قم بتشغيل أجهزة الاستقبال الضوئية ووحدة الليزر عن طريق توصيلها بمصدر طاقة محدود بتيار 15 فولت ومصدر طاقة ليزر. قم بتوصيل أجهزة الاستقبال الضوئية بقناتي الذبذبات باستخدام كبلات BNC.</li>
	<li>ضع شريطا كهربائيا أسود فوق نصف مستشعر جهاز الاستقبال الضوئي. يعمل الشريط بمثابة "حافة سكين" لإنشاء إعداد حساس للكشف عن الصدمات. ملاحظة: يمكن تحسين حساسية اكتشاف حافة السكين باستخدام عدسة متقاربة لتركيز الشعاع على حافة السكين. يمكن أيضا تعزيز الحساسية عن طريق زيادة المسافة التي تقطعها الحزمة إلى المستقبل الضوئي ، مما يؤدي إلى إزاحة انكسارية أكبر للحزمة.</li>
	<li>قبل ضبط مستوى الزناد على راسم الذبذبات ، انتبه بشكل خاص لتجنب القص ، والذي يمكن أن ينتج عن حساسية إعداد حافة السكين. لتجنب القص ، اضبط موضع الحزمة على حافة السكين بحيث يكون جهد خط الأساس حوالي 50٪ من الجهد الأقصى. الحد الأقصى للجهد هو الجهد عندما يكون الشعاع الكامل على الكاشف دون عائق.<ol><li>اضبط الإعدادات على راسم الذبذبات لجمع 20 مليون نقطة بيانات. اضبط معدل الحصول على البيانات على 500 ميجاهرتز عن طريق ضبط مقبض المقياس الأفقي. أدر مقبض الزناد للتعثر بجهد أقل بقليل من جهد خط الأساس المكتسب من جهاز الاستقبال الضوئي. ملاحظة: يمكن العثور على سرعة كرة البينج بونج من خلال الرياضيات البسيطة باستخدام وحدات الاستقبال الضوئي. السرعة هي قطر كرة البينج بونج مقسوما على الوقت الذي تعيق فيه الكرة الحزمة. يتم استخدام معالج دقيق لمعالجة الإشارة الواردة من وحدة الاستقبال الضوئي الداخلية لقياس سرعة الكرة تلقائيا في نهاية المدفع.</li>
	</ol></li>
</ol>4. قياسات السرعة التلقائية
<ol><li>لاستخدام معالج دقيق لقياسات السرعة التلقائية ، قم بتحويل الإشارة من وحدة الاستقبال الضوئي إلى نبضة 0-5 فولت ، كما هو موضح في الشكل 5 ، باستخدام مقارنة تعمل عند حوالي 10٪ من جهد خط الأساس. قم بتوصيل الإشارة المحولة بالمنفذ 7 للمعالج الدقيق.</li>
	<li>قم بتنزيل "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (الملف التكميلي 6) ، وقم بتحميله على المعالج الدقيق.</li>
	<li>قم بتوصيل شاشة RA8875 ولوحة التشغيل بالمنافذ المخصصة على المعالج الدقيق.</li>
</ol>5. إعداد وإطلاق مدفع كرة الطاولة
<ol><li>وضعت على حماية الأذن والعين قبل إطلاق المدفع.</li>
	<li>أدخل كرة بينج بونج في مخرج المدفع. انفخ برفق في نهاية المدفع حتى تصطدم الكرة بالفراغ المناسب بالقرب من مدخل الأنبوب.</li>
	<li>قم بتثبيت شريط 3 بوصة × 3 بوصة مربعة على الحافة عند الطرف الخارج من المدفع ومربع ثان على غطاء الأكريليك. أغلق الشريط بحيث يلتصق بسطح الحافة والغطاء. ملاحظة: إذا كان هناك أي تجاعيد أو فقاعات كبيرة ، فيجب التخلص من الشريط. إذا لم يلتصق الشريط بالسطح بشكل كاف ، فقد يضيع الفراغ ، ويمكن أن يطلق المدفع النار قبل الأوان. في حالة فقد الفراغ في أي وقت ، يمكن فتح صمام الإبرة المتصل بمضخة التفريغ لتحقيق التوازن في النظام.</li>
	<li>تأكد من توسيط شعاع الليزر على حافة السكين ، وضبط الزناد بشكل صحيح ، وحاوية الالتقاط آمنة.</li>
	<li>قم بتشغيل مضخة التفريغ لإخلاء الأنبوب إلى ضغط مطلق منخفض أقل من 2 Torr. بمجرد الوصول إلى فراغ كاف ، قم بثقب الشريط عند المدخل بأداة حادة مثل رأس عريض أو طرف حلاقة.</li>
	<li>بعد إطلاق النار ، قم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ. قم بإزالة الشريط من شفة الخروج وغطاء الأكريليك.</li>
</ol>6. إعداد وإطلاق مدفع بينج بونج الأسرع من الصوت
<ol><li>من أجل السلامة ، ارتد حماية السمع والعين طوال عملية إطلاق النار.</li>
	<li>صفائح مقطوعة من 0.0005 بوصة و 0.001 بوصة و 0.002 في فيلم بوليستر تتناسب مع أبعاد الحافة. يمكن قطع هذه الأوراق يدويا أو ، ويفضل استخدام قاطع الليزر. استخدم الملف التكميلي "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (الملف التكميلي 7) كمخطط تفصيلي. ملاحظة: لغرض هذه التجربة ، تم إطلاق المدفع بصفائح مفردة من 0.0005 بوصة و 0.001 بوصة و 0.002 في فيلم بوليستر ، وتم تسجيل النتائج في الشكل 7. يمكن العثور على قالب لقص فيلم البوليستر بالليزر كملف SVG (الملف التكميلي 7).</li>
	<li>تأكد من إغلاق الصمام من ضاغط الهواء إلى أنبوب التشغيل. املأ ضاغط الهواء مسبقا للسماح بملء أنبوب السائق بشكل أسرع عندما يكون المدفع جاهزا للإطلاق.</li>
	<li>أدخل كرة بينج بونج في مخرج المدفع. انفخ برفق في نهاية المدفع حتى يتم إيقاف الكرة بواسطة تركيب الفراغ بالقرب من مدخل الأنبوب المدفوع.</li>
	<li>قم بتثبيت شريط 3 بوصات × 3 بوصة مربعة على الطرف الخارج من المدفع. أغلق الشريط بحيث يلتصق بسطح الحافة. ملاحظة: إذا كان هناك أي تجاعيد أو فقاعات كبيرة ، فيجب التخلص من الشريط. إذا لم يلتصق الشريط بالسطح بشكل كاف ، فقد يضيع الفراغ ، ويمكن أن يطلق المدفع النار قبل الأوان. في حالة حدوث تسرب فراغ أو مضاعفات أخرى ، استخدم صمام تحرير الضغط على أنبوب التشغيل وصمام الإبرة الموجود على مضخة التفريغ لتحقيق التوازن في النظام.</li>
	<li>أدخل غشاء بوليستر رقيق مقطوع مسبقا بين حشيتين مطاطيتين. ضع الحجاب الحاجز والحشيات المطاطية بين السائق والأجزاء المدفوعة من المدفع. قم بتوصيل القسمين بإحكام باستخدام 4 مشابك كام.</li>
	<li>تأكد من توسيط شعاع الليزر على حافة السكين ، وضبط الزناد بشكل صحيح ، وحاوية الالتقاط آمنة.</li>
	<li>قم بتشغيل مضخة التفريغ لإخلاء الأنبوب إلى ضغط مطلق منخفض أقل من 2 Torr. حرر الضغط من ضاغط الهواء إلى أنبوب التشغيل. اسمح للضغط بالارتفاع حتى ينفجر الحجاب الحاجز ويملأ الهواء المضغوط داخل أنبوب التشغيل الأنبوب المدفوع المفرغ بسرعة.</li>
	<li>بعد إطلاق المدفع ، قم بإيقاف تشغيل ضاغط الهواء ومضخة التفريغ. قم بإزالة الحجاب الحاجز البوليستر المتفجر والشريط من المدفع.</li>
</ol>

<ol><li>Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ping-pong+cannon%3A+A+closer+look%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">The ping-pong cannon: A closer look.</a> The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).</li>
<li>Olson, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+shock+waves+in+expansion+tube+accelerators%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">The role of shock waves in expansion tube accelerators.</a> American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).</li>
<li>Cockman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+vacuum+bazooka%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">Improved vacuum bazooka.</a> The Physics Teacher. 41 (4), 246-247 (2003).</li>
<li>Ayars, E., Buchholtz, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+the+vacuum+cannon%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Analysis of the vacuum cannon.</a> American Journal of Physics. 72 (7), 961-963 (2004).</li>
<li>Thuecks, D. J., Demas, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+effect+of+air-intake+aperture+size+in+the+ping-pong+ball+cannon%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Modeling the effect of air-intake aperture size in the ping-pong ball cannon.</a> American Journal of Physics. 87 (2), 136-140 (2019).</li>
<li>Liepmann, H. W., Roshko, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLiepmann%2C+HW+%22Elements+of+gas+dynamics%22">Elements of gas dynamics</a>. , Wiley. New York, NY. (1957).</li>
<li>Settles, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSettles%2C+S+%22Schlieren+and+shadowgraph+techniques%22">Schlieren and shadowgraph techniques</a>. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin, Germany. (2001).</li>
<li>Geisert, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+single+mirror+schlieren+optical+system%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">A single mirror schlieren optical system.</a> American Journal of Physics. 52 (5), 467(1984).</li>
<li>French, R. M., Gorrepati, V., Alcorta, E., Jackson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanics+of+a+ping-pong+ball+gun%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Techniques%22%5BJournal%5D)">The mechanics of a ping-pong ball gun.</a> Experimental Techniques. 32 (1), 24-30 (2008).</li>
<li>French, M., Zehrung, C., Stratton, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+supersonic+ping-pong+gun%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">A supersonic ping-pong gun.</a> arXiv. , (2013).</li>
<li>French, F., Choudhuri, R., Stratton, J., Zehrung, C., Huston, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+modular+supersonic+ping-pong+gun%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">A modular supersonic ping-pong gun.</a> arXiv. , (2018).</li>
<li>Fredrick, C. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complementary+studies+on+supersonic+nozzle+flow%3A+heterodyne+interferometry%2C+high-speed+video+shadowgraphy%2C+and+numerical+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22WIT+Transactions+on+Modelling+and+Simulation%22%5BJournal%5D)">Complementary studies on supersonic nozzle flow: heterodyne interferometry, high-speed video shadowgraphy, and numerical simulation.</a> WIT Transactions on Modelling and Simulation. 59, 223-234 (2015).</li>
</ol>

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>15 فولت تيار محدود امدادات الطاقة</td><td>تركيز جديد</td><td>0901</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>2 "× 6" لوح</td><td>هوم ديبوت</td><td>BTR KD-HT S</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>5.0 "40 دبوس 800 × 480 شاشة TFT</td><td>Adafruit</td><td>1680</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>مقياس الضغط المطلق</td><td>McMaster-Carr</td><td>1791T3</td><td>0 & ndash ؛ 20 [تور] | الكمية: 1</td></tr><tr><td>كابل بورتر ضاغط هواء</td><td></td><td>C2002</td><td>6 جالون | الكمية: 1</td></tr><tr><td>Arduino UNO Rev3</td><td>Arduino</td><td>A000066</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>صمام تخفيف الضغط سريع المفعول ASME-Code ل Air</td><td>McMaster-Carr</td><td>5784T13</td><td>مطلي بالنيكل ، 3/8 NPT ، 125 رطل لكل بوصة مربعة ضبط الضغط | الكمية: 1</td></tr><tr><td>شريط كهربائي أسود</td><td>McMaster-Carr</td><td>76455A21</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>كابل BNC</td><td>رقم Digikey</td><td>115-095-850-277M050-ND</td><td>الكمية: 2</td></tr><tr><td>مرآة عازلة عريضة</td> النطاق <td>THORLABS</td><td>BB05-E02</td><td>400 & ndash ؛ 750 نانومتر ، & أوسلاش. 1/2 بوصة | الكمية: 1</td></tr><tr><td>C-Clamp</td><td>McMaster-Carr</td><td>5133A15</td><td>فتحة 3 بوصات ، وصول 2 بوصة | الكمية: 6</td></tr><tr><td>كام المشبك</td><td>روكلر</td><td>58252</td><td>الحجم: 5/16 "-18 | الكمية: 2 (2 عبوة)</td></tr> مقياس <tr><td>الضغط الرقمي</td><td>أوميغا الهندسية ، Inc.</td><td>DPG104S</td><td>0 & - - - ضغط مطلق 100 رطل لكل بوصة مربعة ، مع الإخراج والإنذارات | الكمية: 1</td></tr><tr><td>مقياس الضغط الرقمي</td><td>أوميغا الهندسية ، Inc.</td><td>DPG104S</td><td>0 & - - - ضغط مطلق 100 رطل لكل بوصة مربعة ، مع الإخراج والإنذارات | الكمية: 1</td></tr><tr><td>مزلاج سحب</td><td>McMaster-Carr</td><td>1889A37</td><td>الحجم: 3 3/4 بوصة × 7/8 بوصة | الكمية: 4</td></tr><tr><td>لوحة سائق لشاشات TFT التي تعمل باللمس 40 سنا</td><td>Adafruit</td><td>1590</td><td>الكمية: 1</td></tr> تركيبات <tr>PVC<td>حشية EPDM كاملة</td><td>الوجه عبر الإنترنت</td><td>155G125125FF150</td><td>الكمية: 2</td></tr><tr><td>مادة الحشية</td><td>McMaster-Carr</td><td>9470K41</td><td>15 × 15 بوصة ، 1/8 بوصة سميكة | الكمية: 1</td></tr><tr><td>Glowforge Plus</td><td>Glowforge</td><td>Glowforge Plus</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>HeNe Laser</td><td>أحادي الطور</td><td>1108</td><td>الفئة 2 | الكمية: 1</td></tr> شريط <tr><td>ختم صندوق عالي</td><td>الارتفاع سكوتش</td><td>53344</td><td>72 مم بعرض &nbsp ؛</td></tr><tr><td>مزود طاقة ليزر</td><td>أحادي الطور</td><td>1201-1</td><td>115 فولت .12 أمبير | الكمية: 1</td></tr><tr><td>LM311 المقارنة</td><td>Digikey Electronics</td><td>296-1389-5-ND</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>مرآة جبل</td><td>THORLABS</td><td>FMP05</td><td>ثابت & Oslash; 1/2 "، 8 & ndash ؛ 32 اضغط | الكمية: 1</td></tr><tr><td>فيلم بوليستر مقاوم للرطوبة</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K102</td><td>10 × 0.0005 بوصة × 27 بوصة | الكمية: 1</td></tr><tr><td>فيلم بوليستر مقاوم للرطوبة</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K12</td><td>10 × 0.001 بوصة × 40 بوصة | الكمية: 1</td></tr><tr><td>فيلم بوليستر مقاوم للرطوبة</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K22</td><td>10 × 0.002 بوصة × 40 بوصة | الكمية: 1</td></tr><tr><td>مفصلة مثبتة على مورتيز مع ثقوب</td><td>McMaster-Carr</td><td>1598A52</td><td>الحجم: 1 بوصة × 1/2 بوصة | الكمية: 4</td></tr><tr><td>إبرة صمام</td><td>Robbins Aviation Inc</td><td>INSG103-1P</td><td>الكمية: 1</td></tr> مكعب <tr><td>شعاع غير مستقطب</td><td>THORLABS</td><td>BS037</td><td>الحجم: 10 مم | الكمية: 2</td></tr><tr><td>الجدول اللافلزي PVC 40</td><td>Cantex</td><td>A52BE12</td><td>الكمية: 2.5 م & nbsp ؛</td></tr><tr><td>Oatey PVC الأسمنت والتمهيدي</td> PVC <td>التركيبات عبر الإنترنت</td><td>30246</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>حشية Buna-N قابلة للانضغاط مقاومة للزيت مع ثقوب ولاصق</td><td>McMaster-Carr</td><td>8516T454</td><td>1-1 / 2 حجم الأنبوب ، ANSI 150 ، 1/16 بوصة سميكة | الكمية: 1</td></tr><tr><td>Oscilliscope</td><td>Tektronix</td><td>TBS2102</td><td>الكمية: 1</td></tr><tr><td>جهاز استقبال ضوئي</td><td>جديد التركيز</td><td>1801</td><td>125 ميجا هرتز | الكمية: 2</td></tr><tr><td>كرات بينغ بونج MAPOL</td><td></td><td>FBA_MP-001</td><td>حامل منصة ثلاث نجوم</td></tr><tr><td>لجهاز تقسيم الشعاع 10 مم ومنشورات الزاوية اليمنى</td><td>THORLABS</td><td>BSH10</td><td>4-40 Tap | الكمية: 1</td></tr> إثبات <tr><td>عالية الوضوح الاكريليك</td><td>Glowforge</td><td>NA</td><td>السماكة: 1/8 " | الكمية: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC Cap</td><td>PVC التركيبات عبر الإنترنت</td><td>847-040</td><td>الحجم: 4 " | الكمية: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC</td><td>الأنابيب البلاستيكية التجهيزات عبر الإنترنت</td><td>8008-040AB-5</td><td>الكمية: 5 قدم</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC المخفض اقتران</td><td>تركيبات PVC عبر الإنترنت</td><td>829-419</td><td>الحجم: 4 "× 1-1 / 2" | الكمية: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC Slip Flange</td> PVC <td>التركيبات عبر الإنترنت</td><td>851-015</td><td>الحجم: 1 1/2 " | الكمية: 3</td></tr><tr><td>سيليكون مانع التسرب داو كورنينج</td><td>ماكماستر كار</td><td>7587A2</td><td>3 أونصة أنبوب شفاف | الكمية: 1</td></tr><tr><td>قوس زاوية فولاذي</td><td>McMaster-Carr</td><td>1556A42</td><td>الحجم: 1 1/2 بوصة × 1 1/2 بوصة × 1/2 بوصة | الكمية: 16</td></tr><tr><td>مضخة فراغ</td><td>Mastercool</td> <td>& nbsp ؛ MSC-90059-MD</td><td>1 مرحلة ، 1.5 قدم مكعب في الدقيقة ، 1 / 6 حصان ، 115 فولت / 60 هرتز</td></tr></tbody></table>

التشخيص البصري عالي السرعة لمدفع بينج بونج أسرع من الصوت

High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon

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.

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...

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.

The traditional ping-pong cannon (PPC) is an educational apparatus that launches a ping-pong ball down an evacuated pipe to nearly sonic speeds using ...

نحن نقدم تعليمات لبناء وتشغيل مدفع بينج بونج أسرع من الصوت جنبا إلى جنب مع تقنيات التشخيص البصري لقياس سرعات الكرة واكتشاف موجات الصدمة. يعد إعداد حافة السكين البصري شديد الحساسية للانحرافات الصغيرة التي تجتاز شعاع الليزر ويوفر وسيلة للكشف عن موجات الصدمة المرتبطة بالمدفع. للبدء ، قم بتشغيل أجهزة استقبال الصور ووحدة الليزر عن طريق توصيلها بمصدر طاقة محدود بتيار 15 فولت ومصدر طاقة ليزر.بعد ذلك ، قم بتوصيل مستقبلات الصور بقناتي راسم الذبذبات باستخدام كبلات BNC. لإعداد التشخيص البصري ، ضع الليزر عموديا على المدفع المصنع مع مرور الشعاع الأول عبر نوافذ الأكريليك داخل الأنبوب ، والثاني خارج مخرج المدفع مباشرة. ضع شريطا كهربائيا أسود فوق نصف مستشعر مستقبل الصور ، مما يؤدي إلى إنشاء إعداد للكشف عن صدمة حافة السكين.لتجنب القص ، اضبط موضع الشعاع على حافة السكين بحيث يكون جهد خط الأساس حوالي 50٪ من الحد الأقصى. بعد ذلك ، اضبط الإعدادات على راسم الذبذبات لجمع 20 مليون نقطة بيانات. استخدم مقبض المقياس الأفقي لضبط معدل الحصول على البيانات على 500 ميغاهرتز.أدر مقبض الزناد للتعثر بجهد أقل بقليل من خط الأساس المحدد الذي تم الحصول عليه من جهاز استقبال الصور. قبل إطلاق PPC ، ارتد حماية الأذن والعين. أدخل كرة بينج بونج في مخرج المدفع وانفخها برفق في نهاية المدفع حتى تصطدم بالفراغ المناسب بالقرب من مدخل الأنبوب.أغلق شفة خروج المدفع وغطاء الأكريليك باستخدام قطعتين من الشريط المربع. تأكد من تمركز شعاع الليزر على حافة السكين ، ووضع الزناد بشكل صحيح ، وحاوية الالتقاط آمنة. قم بتشغيل مضخة التفريغ لإخلاء الأنبوب إلى ضغط مطلق منخفض أقل من اثنين Torr.بمجرد الوصول إلى فراغ كاف ، استخدم طرفا عريض الرأس لثقب الشريط عند المدخل. بعد إطلاق النار ، قم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ وإزالة أي شريط متبقي من شفة الخروج وغطاء الأكريليك. لإطلاق PPC الأسرع من الصوت ، أغلق الصمام الذي يربط أنبوب السائق بضاغط الهواء واملأ خزان ضاغط الهواء.تفجير الكرة ، كما هو موضح سابقا. بعد إغلاق شفة خروج PPC الأسرع من الصوت ، أدخل غشاء بوليستر رفيع مقطوع مسبقا بين حشيتين مطاطيتين وضعهما بين سائق المدفع والأقسام المدفوعة. قم بتوصيل القسمين باستخدام أربعة مشابك كام.بمجرد تقليل الضغط في الأنبوب ، حرر الضغط من ضاغط الهواء إلى أنبوب التشغيل ، مما يسمح بزيادة الضغط حتى يتمزق الحجاب الحاجز ويملأ الهواء المضغوط داخل أنبوب التشغيل الأنبوب المدفوع المفرغ. بعد إطلاق PPC الأسرع من الصوت ، قم بإيقاف تشغيل ضاغط الهواء ومضخة التفريغ. قم بإزالة الحجاب الحاجز البوليستر الممزق والشريط من المدفع.تم تمثيل موجة الصدمة المنتشرة ، التي انعكست خلال عملية إطلاق المدفع ، بتغيير في الجهد فيما يتعلق بالوقت. يوضح الارتفاع الإيجابي أو السالب اتجاه الموجة الصدمية في الإشارة ، وتم حساب السرعة من خلال عرض النبضة المربعة ، الناتجة عن قطع الكرة للحزمة. تم استخدام معالج دقيق لمعالجة الإشارة من الحزمة التي تعبر داخل الأنبوب لحساب وعرض سرعة الكرة تلقائيا بالقرب من مخرج المدفع.أظهرت آثار راسم الذبذبات إطلاق القناة المزدوجة ل PPC الأسرع من الصوت. يمثل التتبع العلوي الحزمة التي تعبر الجزء الداخلي للمدفع ، بالقرب من المخرج. في حين أن التتبع السفلي يتوافق مع الشعاع الذي يجتاز مسار كرة البينج بونج بعد الخروج من المدفع.أشارت إشارة القطع إلى أن الكرة مرت وأعاقت كل شعاع. كشف مخطط فرق الضغط مقابل رقم ماخ أن الأغشية بسمك 0.001 و 0.002 بوصة تتمزق عند فرق ضغط كاف لتسريع كرة البينج بونج إلى سرعة تفوق سرعة الصوت. كانت سرعة الكرة أكبر باستمرار من 1.3 ماخ مع غشاء بسمك 0.002 بوصة.سيعزز مدفع بينج بونج الأسرع من الصوت المقدم والتشخيص البصري قيمة المدفع ، كجهاز توضيحي وكجهاز لمتابعة التجارب المعملية.

high-speed-optical-diagnostics-of-a-supersonic-ping-pong-cannon

Research

JoVE Journal

Engineering

الهندسة

يوصف أسلوب تجريبي لدراسة تطور البلازما في وقت مبكر الناجمة عن الليزر فائقة القصر البقول. باستخدام هذا الأسلوب، ويتم الحصول على صور ذات جودة عالية من البلازما في وقت مبكر مع ارتفاع قرارات الزمانية والمكانية. ويستخدم نموذج ذري رواية متكاملة لمحاكاة وشرح آليات البلازما في وقت مبكر.

التحقيق في التطور المبكر البلازما المستحثة بواسطة الليزر فائقة القصر البقول

ووصف الإجراء لدراسة تدفقات عابرة قرب الحدود باستخدام عالية الدقة، صورة جسيمات عالية السرعة velocimetry (التعريف الشخصي) هنا. التعريف الشخصية هي تقنية القياس غير تدخلية تنطبق على أي تدفق للوصول بصريا عن طريق تحسين العديد من المعوقات المعلمة مثل الصورة وتسجيل العقارات، وخصائص ورقة ليزر، وخوارزميات التحليل.

عالي السرعة الجسيمات Velocimetry صورة قرب السطوح

يعد الكسر والتجزئة من ظواهر المرحلة المتأخرة في سيناريوهات التحميل الديناميكي وعادة ما تتم دراستها باستخدام المتفجرات. نقدم تقنية لقيادة التمدد باستخدام مسدس غاز يتيح بشكل فريد التحكم في كل من معدل التحميل ودرجة حرارة العينة.

منهج في دراسة الاعتماد درجة الحرارة من ديناميك الكسر والتفتيت

تم وصف جهازين تجريبيين لفحص اصطدام النفاثة السائلة على سطح متحرك عالي السرعة: جهاز مدفع هوائي وجهاز قرص دوارة. تستخدم الأجهزة لتحديد الأساليب المثلى لتطبيق معدل الاحتكاك السائل (LFM) على مسارات السكك الحديدية للتحكم في الاحتكاك في أعلى السكك الحديدية.

تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك

يتضمن الاختبار التنموي للمتفجرات شديدة الانفجار للتطبيقات العسكرية صياغة صغيرة الحجم ، واختبار السلامة ، وأخيرا اختبارات أداء التفجير للتحقق من الحسابات النظرية. ستشارك هذه الورقة اختبارات التطوير النموذجية المرتبطة بقياس سرعة التفجير وضغط التفجير.

البحوث والتنمية من المتفجرات عالية الأداء

هنا نقدم بروتوكول لبناء مطياف Brillouin السريع. المتتالية تصوير تقريبا مجموعة مرحلة (VIPA) etalons تحقيق سرعة قياس أكثر من 1000 مرة أسرع من المسح التقليدي الطيف فابري بيرو. يوفر هذا التحسن وسيلة لتحليل Brillouin من الأنسجة والمواد الحيوية عند مستويات منخفضة الطاقة في الجسم الحي.

عالية السرعة غيغاهرتز الفرعي مطياف لتحليل Brillouin نثر

نقدم بروتوكولا لإنشاء فيلم في الوقت الفعلي لحزمة موجة دورانية جزيئية باستخدام إعداد تصوير انفجار كولوم عالي الدقة.

التصوير المباشر مدفوعة الليزر فائق السرعة الجزيئية دوران

يصف لنا بناء مطياف (CW-SBS) continuous-وافي-حفز-برلين-نثر السريع. والمطياف يستخدم صمام ثنائي التردد الواحد-أشعة الليزر وعامل تصفية الشق بخار الذري للحصول على الأطياف نقل العينات عكر/غير-عكر مع الاستبانة الطيفية عالية في سرعات تصل إلى معززات أسرع من تلك القائمة CW SBS مطيافات. هذا التحسن يمكن تحليل المواد بريلوين عالية السرعة.<br...

عالية السرعة كونتينووسوافي برلين حفز نثر مطياف لتحليل المواد

ويصف هذا البروتوكول على الخطوات الأساسية لتنفيذ وتحليل تجارب التحقيق مضخة الجمع بين ليزر femtosecond ضوئية مع ليزر الإلكترون الحر من أجل دراسة التفاعلات الكيميائية الضوئية فائق السرعة في جزيئات الطور الغازي.

وضع بروتوكول تجريبي ل Femtosecond نير للأشعة فوق البنفسجية-شوف تجارب ضخ-التحقيق مع ليزر الإلكترون الحر

الأسلوب الموصوفة هنا يوفر طريقة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا في الوقت نفسه قياس الجسيمات علم الحركة والاضطراب في التدفقات مع تركيزات منخفضة من الجسيمات. الاضطراب الذي يقاس باستخدام الجسيمات الصورة فيلوسيميتري (PIV)، وتحسب الكينماتيكا الجسيمات من الصور التي تم الحصول عليها مع كاميرا عالية السرعة في تداخل حقل-من-وجهة نظر.

قياس واحد من الاضطراب والجسيمات الكينماتيكا التدفق تقنيات التصوير باستخدام

يتم وصف تصنيع محولات وضع سماكة الكهرزوئية عبر التخبط الحالي المباشر من أقطاب اللوحة على niobate الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحقيق عملية موثوقة مع حامل محول ونظام إمدادات السوائل ويتم إثبات التوصيف عن طريق تحليل المعاوقة، الليزر دوبلر vibrometry، والتصوير عالي السرعة، وتوزيع حجم القطرات باستخدام تشتت الليزر.

تصنيع وتوصيف من سماكة وضع الأجهزة الكهروضوئية للانحلال وAcoustofluidics

تعلم بناء مدفع بينج بونج أسرع من الصوت واستخدام التشخيص البصري لقياس سرعات الكرات وكشف الموجات الصدمية. هذه التقنية تفيد الباحثين في مجالات الفيزياء والهندسة.

التشخيص البصري عالي السرعة لمدفع بينج بونج أسرع من الصوت

استكشف المزيد من الفيديوهات