我们介绍一种超音速乒乓球炮（SSPPC）的构建方法，以及用于测量炮弹发射过程中球体速度和传播激波特性的光学诊断技术。
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本文内容
摘要
摘要
传统的乒乓球炮（PPC）是一种教学装置，利用大气压力将乒乓球沿抽成真空的管道发射，使其速度接近声速。SSPPC 是 PPC 的增强版本，通过施加高于大气压的压力来加速乒乓球，从而实现超声速发射。本文提供了优化型 PPC 和 SSPPC 的构建与使用说明。
采用光学诊断方法来研究炮管动力学。将一束氦氖激光器发出的激光通过管道出口附近的两个亚克力窗口，并终止于一个光电接收传感器上。微处理器测量乒乓球遮挡激光束的时间，从而自动计算乒乓球的速度。结果会立即显示在液晶显示屏上。
光学刀口装置通过在传感器处遮挡部分氦氖激光束，提供了一种高灵敏度的冲击波检测方法。冲击波会引起光束的折射偏转，这些偏转在光电接收器的电信号中表现为微小的电压尖峰。
所介绍的方法具有高度可重复性，为在实验室环境中进行进一步研究提供了可能。
引言
PPC 是一种流行的物理演示实验，用于展示人体持续暴露于其中的巨大大气压强1,2,3,4,5。该实验将一个乒乓球放入一段内径约等于球体直径的管道中，管道两端用胶带密封，并抽真空至内部压强低于 2 Torr。随后刺破管道一端的胶带，使空气进入炮管，导致乒乓球经历约 5,000 g 的峰值加速度。该球仅由大气压驱动，在行进约 2 m 后以约 300 m/s 的速度射出炮管。
尽管大气压炮（PPC）通常被用作大气压力的简单演示实验，但它也是一种能够展现复杂可压缩流动物理现象的装置，因此已催生出大量开放式的学生产题项目。小球的运动受到多种次要因素的影响，例如管壁摩擦、小球周围空气的泄漏，以及加速小球引发的激波形成。小球的剧烈加速会产生大幅值的压缩波，该压缩波在小球前方沿管路向前传播。这些压缩波的传播速度超过当地声速，导致压缩波不断变陡，最终形成激波6。先前的研究已探讨了激波在小球与管口封堵胶带之间反复反射所引起的管口压力迅速升高现象，以及由此导致的小球尚未到达管口前胶带即发生脱离的情况
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方案
1. 乒乓炮（PPC）的构建与组装
- 根据图1组装PPC的所有组件。
- 在炮体两侧插入两块高透明度亚克力窗口，以便对炮体内部进行光学探测。
- 在PVC管靠近炮口的位置，相对两侧各钻一个1/2英寸的孔。
- 使用激光雕刻机加工两块厚度为1/8英寸的亚克力窗口。下载三个补充的svg文件。
注意：三个文件分别标记为"JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
（补充文件1）、"JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
（补充文件2）和"JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
（补充文件3）。应按文件标题中描述的工艺（雕刻/切割）顺序使用这三个文件。激光切割的速度和功率设置应根据制造商对亚克力材料的推荐参数进行设定。每次雕刻步骤应去除材料厚度的约三分之一。 - 在亚克力窗口边缘涂抹硅胶密封剂，注意不要将密封剂沾到窗口表面。然后将窗口插入孔中，确保彼此垂直。此步骤完成后，需留出足够时间让硅胶充分固化。
注意：若无激光切割机，可用....
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结果
本文提供了关于PPC和SSPPC的构建与使用方法，以及用于激波表征和速度测量的光学诊断技术的实施步骤。同时给出了典型的实验结果。完整的PPC和SSPPC系统及其必要配件如图1和图2所示。SSPPC是PPC的增强版本，其中一段加压驱动管连接至PPC的被驱动管。用于激波刀刃检测和乒乓球速度测量的光学诊断装置如图3所示。一个典型的示波器波形示例展示了光学诊断技术在激波表征和速度测量中的有效性，如图4所示，同时附有概念示意图，说明乒乓球的运动过程及对应示波器波形的反射激波。微处理器接收到的原始信号和处理后的信号，以及液晶显示屏上显示的速度计算结果如图5所示。一次成功发射SSPPC时获得的典型双通道示波器波形如图6所示。这些波形展示了刀刃装置在检测炮管内部及出口附近激波方面的有效性。波形还显示.......
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讨论
我们介绍了一种构建活塞式压力炮（PPC）和二级活塞式压力炮（SSPPC）的方法，并配备了用于测量球体速度及表征炮口附近冲击波传播的光学诊断系统。标准PPC由一段2米长的1.5英寸80级PVC管构成。管体两端安装有法兰、快速连接真空接头，并在出口附近设有丙烯酸观察窗，用于激光诊断。PPC的详细示意图见图1。发射前，将一个乒乓球插入炮管内，并对两端进行密封。出口端通过在法兰上粘贴胶带实现密封；在管体另一端，将胶带固定在一个带有1.5英寸开口的丙烯酸盖板上，并使用带橡胶垫圈的丙烯酸盖板对管体进行密封。将PPC牢固固定，并放置一个坚固的容器以安全接住射出的乒乓球。通过将管内抽真空至低于2 Torr的绝对压力，并用尖锐物体刺穿胶带的方式发射炮弹。SSPPC是在标准PPC基础上改进而成的装置，通过连接一段加压的4英寸80级PVC管，实现更高的加速度和超音速的乒乓球速度。SSPPC的详细示意图见图2。加压管的一端用端盖密封，另一端通过变径接头和法兰与PPC相连。加压管上装有1-100 psi压力表、可快速连接空气压缩机的接头以及安全.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国国家科学基金会本科教育处（资助号：2021157）资助，属于IUSE: EHR项目的一部分
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 15 V 限流电源 | New Focus | 0901 | 数量：1 |
| 2" x 6" 木板 | Home Depot | BTR KD-HT S | 数量：1 |
| 5.0" 40针 800 x 480 TFT 显示屏 | Adafruit | 1680 | 数量：1 |
| 绝对压力表 | McMaster-Carr | 1791T3 | 0–20 Torr | 数量：1 |
| 空气压缩机 | Porter Cable | C2002 | 6 加仑 | 数量：1 |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | 数量：1 |
| ASME标准快动式空气泄压阀 | McMaster-Carr | 5784T13 | 镍镀层，3/8 NPT，设定压力 125 PSI | 数量：1 |
| 黑色电工胶带 | McMaster-Carr | 76455A21 | 数量：1 |
| BNC 电缆 | Digikey 编号 | 115-095-850-277M050-ND | 数量：2 |
| 宽带介质镜 | THORLABS | BB05-E02 | 400–750 nm，Ø1/2" | 数量：1 |
| C 型夹 | McMaster-Carr | 5133A15 | 3" 开口，2" 行程 | 数量：6 |
| 凸轮夹 | Rockler | 58252 | 规格：5/16"-18 | 数量：2（2 件装） |
| 数字压力表 | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0–100 Psi 绝对压力，带输出和报警功能 | 数量：1 |
| 数字压力表 | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0–100 Psi 绝对压力，带输出和报警功能 | 数量：1 |
| 拉扣锁 | McMaster-Carr | 1889A37 | 规格：3 3/4" x 7/8" | 数量：4 |
| 40针 TFT 触摸显示屏驱动板 | Adafruit | 1590 | 数量：1 |
| 全表面 EPDM 垫片 | PVC Fittings Online | 155G125125FF150 | 数量：2 |
| 垫片材料 | McMaster-Carr | 9470K41 | 15" x 15"，厚 1/8" | 数量：1 |
| Glowforge Plus | Glowforge | Glowforge Plus | 数量：1 |
| HeNe 激光器 | Uniphase | 1108 | 2 类 | 数量：1 |
| 高粘性封箱胶带 | Scotch | 53344 | 72 mm 宽 |
| 激光器电源 | Uniphase | 1201-1 | 115 V 0.12 A | 数量：1 |
| LM311 比较器 | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | 数量：1 |
| 镜片支架 | THORLABS | FMP05 | 固定式 Ø1/2"，8–32 螺纹孔 | 数量：1 |
| 防潮聚酯薄膜 | McMaster-Carr | 8567K102 | 10 英尺 x 0.0005" x 27" | 数量：1 |
| 防潮聚酯薄膜 | McMaster-Carr | 8567K12 | 10 英尺 x 0.001" x 40" | 数量：1 |
| 防潮聚酯薄膜 | McMaster-Carr | 8567K22 | 10 英尺 x 0.002" x 40" | 数量：1 |
| 带孔榫槽安装铰链 | McMaster-Carr | 1598A52 | 规格：1" x 1/2" | 数量：4 |
| 针阀 | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | 数量：1 |
| 非偏振立方分束器 | THORLABS | BS037 | 规格：10 mm | 数量：2 |
| 非金属 PVC Schedule 40 | Cantex | A52BE12 | 数量：2.5 m |
| Oatey PVC 胶水和底漆 | PVC Fittings Online | 30246 | 数量：1 |
| 耐油可压缩带孔粘性 Buna-N 垫片 | McMaster-Carr | 8516T454 | 1-1/2 管径，ANSI 150，厚 1/16" | 数量：1 |
| 示波器 | Tektronix | TBS2102 | 数量：1 |
| 光电探测器 | New Focus | 1801 | 125-MHz | 数量：2 |
| 乒乓球 | MAPOL | FBA_MP-001 | 三星 |
| 10 mm 分束器和直角棱镜平台支架 | THORLABS | BSH10 | 4-40 螺纹孔 | 数量：1 |
| Proofgrade 高透明度透明亚克力板 | Glowforge | NA | 厚度：1/8" | 数量：1 |
| Sch 80 PVC 封头 | PVC Fittings Online | 847-040 | 规格：4" | 数量：1 |
| Sch 80 PVC 管 | PVC Fittings Online | 8008-040AB-5 | 数量：5 英尺 |
| Sch 80 PVC 变径接头 | PVC Fittings Online | 829-419 | 规格：4" x 1-1/2" | 数量：1 |
| Sch 80 PVC 滑动法兰 | PVC Fittings Online | 851-015 | 规格：1 1/2" | 数量：3 |
| 道康宁硅酮密封胶 | McMaster-Carr | 7587A2 | 3 盎司管装，透明 | 数量：1 |
| 钢制角码 | McMaster-Carr | 1556A42 | 规格：1 1/2" x 1 1/2" x 1/2" | 数量：16 |
| 真空泵 | Mastercool | MSC-90059-MD | 单级，1.5 CFM，1/6 HP，115V/60Hz |
参考文献
- 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).
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