Optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik einer Überschall-Ping-Pong-Kanone

Zusammenfassung

Wir beschreiben eine Methode zum Bau einer Überschall-Ping-Pong-Kanone (SSPPC) sowie optische Diagnosetechniken zur Messung von Ballgeschwindigkeiten und zur Charakterisierung sich ausbreitender Stoßwellen während des Abfeuerns der Kanone.

Zusammenfassung

Die traditionelle Ping-Pong-Kanone (PPC) ist ein pädagogisches Gerät, das einen Tischtennisball mit Hilfe des atmosphärischen Drucks auf nahezu Schallgeschwindigkeit durch ein evakuiertes Rohr schleudert. Der SSPPC, eine erweiterte Version des PPC, erreicht Überschallgeschwindigkeiten, indem er den Ball mit einem Druck beschleunigt, der größer als der atmosphärische Druck ist. Wir geben Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung eines optimierten PPC und SSPPC.

Optische Diagnostik wird eingesetzt, um die Kanonendynamik zu untersuchen. Ein HeNe-Laser, der durch zwei Acrylfenster in der Nähe des Rohrausgangs geschickt wird, wird auf einen Fotoempfängersensor terminiert. Ein Mikroprozessor misst die Zeit, in der der Strahl durch den Tischtennisball behindert wird, um automatisch die Geschwindigkeit des Balls zu berechnen. Die Ergebnisse werden sofort auf einem LCD-Display angezeigt.

Ein optischer Messeraufbau bietet eine hochempfindliche Möglichkeit, Stoßwellen zu detektieren, indem ein Bruchteil des HeNe-Strahls am Sensor abgeschnitten wird. Stoßwellen verursachen brechungsbedingte Ablenkungen des Strahls, die als kleine Spannungsspitzen im elektrischen Signal des Fotoempfängers beobachtet werden.

Die vorgestellten Methoden sind hochgradig reproduzierbar und bieten die Möglichkeit zur weiteren Untersuchung im Labor.

Einleitung

Die PPC ist eine beliebte physikalische Demonstration, die verwendet wird, um den immensen Luftdruck zu zeigen, dem Menschen ständig ausgesetzt sind 1,2,3,4,5. Bei der Demonstration wird ein Tischtennisball in einem Rohrabschnitt platziert, dessen Innendurchmesser ungefähr dem Durchmesser des Balls entspricht. Das Rohr wird an beiden Enden mit Klebeband abgedichtet und auf einen Innendruck von weniger als 2 Torr evakuiert. Das Band an einem Ende des Rohrs ist durchstochen, wodurch Luft in die Kanone eindrin....

Protokoll

1. Bau und Montage der Tischtenniskanone (PPC)

1. Montieren Sie alle Komponenten der PPC gemäß Abbildung 1.
2. Setzen Sie zwei hochtransparente Acrylfenster in die Seiten der Kanone ein, um eine optische Sondierung über das Innere der Kanone zu ermöglichen.
   1. Bohren Sie zwei 1/2 Löcher durch gegenüberliegende Seiten des PVC in der Nähe des Kanonenausgangs.
   2. Bereiten Sie zwei 1/8 in dicken Acrylfenstern mit einem Lasergravierer vor. Laden Sie die drei ergänzenden SVG-Dateien herunter.
      HINWEIS: Es gibt drei Dateien mit der Bezeichnung "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
      (Ergänz....

Ergebnisse

Hier geben wir Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung eines PPC und eines SSPPC sowie die Durchführung der optischen Diagnostik zur Schockcharakterisierung und Geschwindigkeitsmessung. Repräsentative experimentelle Ergebnisse werden ebenfalls zur Verfügung gestellt. Die fertigen Systeme der PPC und SSPPC sowie das notwendige Zubehör sind in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Der SSPPC ist eine erweiterte Version des PPC, bei der ein treibender, druc.......

Diskussion

Wir haben eine Methode zum Aufbau einer PPC und einer SSPPC sowie eine optische Diagnostik zur Messung von Kugelgeschwindigkeiten und zur Charakterisierung der Stoßausbreitung in der Nähe des Kanonenausgangs vorgestellt. Die Standard-PPC besteht aus einem 2 m langen Abschnitt von 1,5 in Schedule 80 PVC-Rohren. Das Rohr ist an beiden Enden mit Flanschen, Vakuum-Schnellverschlüssen und Acrylfenstern in der Nähe des Ausgangs für die Laserdiagnostik ausgestattet. Ein detailliertes Schema des PPC ist in A.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
15 V strombegrenztes Netzteil	New Focus	0901	Menge: 1
2" x 6" Plank	Home Depot	BTR KD-HT S	Menge: 1
5,0" 40-polig 800 x 480 TFT Display	Adafruit	1680	Menge: 1
Absolutdruckmessgerät	McMaster-Carr	1791T3	0– 20 Torr | Menge: 1
Luftkompressor	Porter Kabel	C2002	6 Gallonen | Menge: 1
Arduino UNO Rev3	Arduino	A000066	Menge: 1
ASME-Code Schnelldruckbegrenzungsventil für Luft	McMaster-Carr	5784T13	vernickelt, 3/8 NPT, 125 PSI Einstelldruck | Menge: 1
schwarzes Isolierband	McMaster-Carr	76455A21	Menge: 1
BNC-Kabel	Digikey Nummer	115-095-850-277M050-ND	Menge: 2
Breitband Dielektrischer Spiegel	THORLABS	BB05-E02	400– 750 nm, und Oslash; 1/2" | Menge: 1
C-Klemme	McMaster-Carr	5133A15	3" Öffnung, 2" Reichweite | Anzahl: 6
Nockenschelle	Rockler	58252	Größe: 5/16"-18 | Menge: 2 (2 Packung)
Digitales Manometer	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0– 100 psi Absolutdruck, mit Ausgang und Alarmen | Menge: 1
Digitales Manometer	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0– 100 psi Absolutdruck, mit Ausgang und Alarmen | Menge: 1
Zugverschluss	McMaster-Carr	1889A37	Größe: 3 3/4" x 7/8" | Menge: 4
Treiberplatine für 40-polige TFT-Touch-Displays	Adafruit	1590	Menge: 1
vollseitige EPDM-Dichtung	PVC-Fittings online	155G125125FF150	Menge: 2
Dichtungsmaterial	McMaster-Carr	9470K41	15" x 15", 1/8" dick | Menge: 1
Glowforge Plus	Glowforge	Plus	Menge: 1
HeNe Laser	Uniphase	1108	Klasse 2 | Menge: 1
Tack Box Dichtband	Scotch	53344	72 mm breit
Laser-Netzteil	Uniphase	1201-1	115 V .12 A | Menge: 1
LM311 Komparator	Digikey Electronics	296-1389-5-ND	Menge: 1
Spiegelhalterung	THORLABS	FMP05	Fixed & Oslash; 1/2", 8– 32 Tippen Sie auf | Menge: 1
feuchtigkeitsbeständige Polyesterfolie	McMaster-Carr	8567K102	10' x 0,0005" x 27" | Menge: 1
feuchtigkeitsbeständige Polyesterfolie	McMaster-Carr	8567K12	10' x 0,001" x 40" | Menge: 1
feuchtigkeitsbeständige Polyesterfolie	McMaster-Carr	8567K22	10' x 0,002" x 40" | Menge: 1
Mourtise-Mount Scharnier mit Löchern	McMaster-Carr	1598A52	Größe: 1" x 1/2" | Menge: 4
Nadelventil	Robbins Aviation Inc	INSG103-1P	Menge: 1
nicht polarisierender Würfelstrahlteiler	THORLABS	BS037	Größe: 10 mm | Menge: 2
nichtmetallisches PVC Schedule 40	Cantex	A52BE12	Menge: 2,5 m
Oatey PVC-Zement und Grundierung	PVC-Fittings Online	30246	Menge: 1
ölbeständige kompressible Buna-N-Dichtung mit Löchern und Klebstoff	McMaster-Carr	8516T454	1-1/2 Rohrgröße, ANSI 150, 1/16" dick | Menge: 1
Oszilliskop	Tektronix	TBS2102	Menge: 1
Fotoempfänger	New Focus	1801	125-MHz | Menge: 2
Tischtennisbälle	MAPOL	FBA_MP-001	Dreistern-Plattformhalterung
für 10mm Strahlteiler und rechtwinklige Prismen	THORLABS	BSH10	4-40 Gewindebohrer | Menge: 1
Proofgrade High Clarity Clear Acryl	Glowforge	NA	Dicke: 1/8" | Menge: 1
Sch 80 PVC Cap	PVC Fittings Online	847-040	Größe: 4" | Menge: 1
Sch 80 PVC-Rohr	PVC-Verschraubungen Online	8008-040AB-5	Menge: 5 ft
Sch 80 PVC-Reduzierkupplung	PVC-Verschraubungen Online	829-419	Größe: 4" x 1-1/2" | Menge: 1
Sch 80 PVC Slip Flansch	PVC Fittings Online	851-015	Größe: 1 1/2" | Menge: 3
Silikon Dichtstoff Dow Corning	McMaster-Carr	7587A2	3 oz. Tube, klar | Menge: 1
Stahl-Eckhalterung	McMaster-Carr	1556A42	Größe: 1 1/2" x 1/2" x 1/2" | Menge: 16
Vakuumpumpe	Mastercool	MSC-90059-MD	1 Tisch, 1,5 CFM, 1/6 PS, 115 V/60 Hz

High