Name: Optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik einer Überschall-Ping-Pong-Kanone (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T13:10:00.000+00:00
Duration: 5 min 40 s
Description: Erfahren Sie den Aufbau einer Überschall-Ping-Pong-Kanone und optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik zur Messung von Ballgeschwindigkeiten und Stoßwellendetektion. Diese Methode ermöglicht präzise physikalische Analysen.

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Diese Arbeit wird von der NSF Division of Undergraduate Education (Auszeichnung # 2021157) im Rahmen des IUSE: EHR-Programms unterstützt

1. Bau und Montage der Tischtenniskanone (PPC)
<ol><li>Montieren Sie alle Komponenten der PPC gemäß Abbildung 1.</li>
	<li>Setzen Sie zwei hochtransparente Acrylfenster in die Seiten der Kanone ein, um eine optische Sondierung über das Innere der Kanone zu ermöglichen.<ol><li>Bohren Sie zwei 1/2 Löcher durch gegenüberliegende Seiten des PVC in der Nähe des Kanonenausgangs.</li>
		<li>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" (Ergänzungsdatei 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg" (Ergänzungsdatei 2) und "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg" (Ergänzungsdatei 3). Diese drei Dateien sollten in der angegebenen Reihenfolge verwendet werden, indem Sie das im Titel beschriebene Verfahren (Gravieren/Schneiden) verwenden. Die Einstellungen für Lasergeschwindigkeit und -leistung sollten gemäß den vom Hersteller empfohlenen Einstellungen für Acryl eingestellt werden. Bei jedem Gravurschritt sollte etwa 1/3 der Dicke des Materials entfernt werden.</li>
		<li>Tragen Sie Silikonversiegelung auf den Rand des Acryls auf und achten Sie darauf, dass nichts auf das Fenster gelangt. Platzieren Sie dann Fenster in den Löchern und achten Sie darauf, dass sie senkrecht zueinander stehen. Lassen Sie dem Silikon nach diesem Teil des Prozesses ausreichend Zeit, um auszuhärten. Anmerkungen: Wenn kein Laserschneider zur Verfügung steht, kann ein Stück durchsichtiges Klebeband um den Umfang des Rohrs gewickelt werden, um die 1/2 in den Löchern abzudichten und als Fenster in das Innere des Rohrs zu fungieren. Weitere Experimente können durchgeführt werden, indem zusätzliche Fenster in die Kanone eingefügt werden, um die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Tischtennisballs entlang der Länge des angetriebenen Rohrs zu messen.</li>
	</ol></li>
	<li>Schleifen Sie mit einem Bandschleifer die Stirnseite des Flansches am Ausgang der Kanone ab. Beenden Sie den Schliff mit feinkörnigem Schleifpapier, damit das Klebeband gut am Flansch haften kann.</li>
	<li>Schneiden Sie mit einem Laserschneider eine Acrylkappe nach "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (Ergänzungsdatei 4). Befestigen Sie eine vollflächige Gummidichtung an der Acrylkappe. Die Acrylkappe ist Bestandteil der Druckdichtung, die beim Brennen der PPC verwendet wird.</li>
	<li>Befestigen Sie die Kanone fest zum Abfeuern und positionieren Sie einen stabilen Behälter, um den Tischtennisball sicher aufzufangen, mit reichlich Polsterung, um den Aufprall auf die Rückwand des Behälters zu minimieren. HINWEIS: Es gibt viele Lösungen, um die Tischtenniskanone zu sichern und den Ball sicher zu fangen. Für das vorgestellte Experiment wurde ein spezielles Klemmsystem entwickelt, um die Kanone mit horizontaler Ausrichtung fest zu sichern. Diese Klemmen können nach "JoVE_CannonMountTemplate.png" (Ergänzungsdatei 5) konstruiert werden.<ol><li>Verwenden Sie die Ergänzungsdatei 5 als Schablone, um 2 Zoll x 6 Zoll Holzbretter auszuschneiden. Verbinden Sie den oberen und unteren Teil des Klemmsystems mit einem Zugriegel und einem Scharnier, um die Kanone zu sichern.</li>
		<li>Legen Sie die Innenseiten der Klemmen mit Gummidichtungsmaterial aus, um ein Verrutschen der Kanone während des Schussvorgangs zu verhindern. Befestigen Sie die verbundenen oberen und unteren Teile des Klemmsystems mit vier Eckwinkeln am Sockel.</li>
		<li>Montieren Sie das fertige Spannsystem mit vier C-Klemmen auf einer Tischplatte. Konstruieren Sie einen 13 Zoll x 13 Zoll x 24 Zoll großen Sperrholzbehälter und stützen Sie ihn mit vier 1 Zoll Sperrholzplatten, um den Tischtennisball aufzufangen. Legen Sie ein Dämpfungsmaterial in den Behälter, um Ballrückpralleffekte zu verhindern. Montieren Sie diesen Behälter mit C-Klemmen an einer Tischplatte.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Bau und Montage der Überschall-Ping-Pong-Kanone (SSPPC)
<ol><li>Montieren Sie alle Komponenten des Treiberrohrs gemäß Abbildung 2. HINWEIS: Der Hauptunterschied zwischen dem PPC und dem SSPPC besteht darin, dass der SSPPC mit einem treibenden, druckbeaufschlagten Abschnitt des PVC-Rohrs der Liste 80 ergänzt wird, der mit dem Eingang des PPC verbunden ist. Wenn das PPC bereits konstruiert wurde, muss daher nur noch der Treiberrohrabschnitt zusammengebaut werden, um den SSPPC zu konstruieren.</li>
	<li>Befestigen Sie die Kanone fest zum Abfeuern und positionieren Sie einen stabilen Behälter, der den Tischtennisball sicher auffangen kann, mit reichlich Polsterung, um den Aufprall auf die Rückwand des Behälters zu minimieren. HINWEIS: Die in Schritt 1.5 beschriebenen Montage- und Fangsysteme sind die gleichen Systeme, die zur Sicherung des SSPPC verwendet werden.</li>
</ol>3. Optische Diagnostik
<ol><li>Richten Sie den Laser, den Strahlteiler, den Spiegel und die Fotoempfänger ein, indem Sie die Komponenten auf einem optischen Steckbrett montieren, wie in Abbildung 3 dargestellt. Richten Sie den Laser senkrecht zur Kanone aus, wobei der erste Strahl das Innere des Rohrs durch die Acrylfenster durchquert und der zweite direkt außerhalb des Kanonenausgangs verläuft.</li>
	<li>Versorgen Sie die Fotoempfänger und das Lasermodul mit Strom, indem Sie sie an ein strombegrenztes 15-V-Netzteil und ein Lasernetzteil anschließen. Verbinden Sie die Fotoempfänger mit BNC-Kabeln mit den beiden Kanälen des Oszilloskops.</li>
	<li>Legen Sie schwarzes Isolierband über die Hälfte des Fotoempfängersensors. Das Klebeband dient als "Messerschneide", um eine empfindliche Stoßerkennung zu schaffen. Anmerkungen: Die Empfindlichkeit der Messerkantenerkennung kann weiter verbessert werden, indem eine Sammellinse verwendet wird, um den Strahl auf die Messerschneide zu fokussieren. Die Empfindlichkeit kann auch erhöht werden, indem die Entfernung, die der Strahl zum Fotoempfänger zurücklegt, vergrößert wird, was zu einer größeren Brechung des Strahls führt.</li>
	<li>Achten Sie vor dem Einstellen des Triggerpegels am Oszilloskop besonders darauf, Clipping zu vermeiden, das sich aus der Empfindlichkeit des Messerkanten-Setups ergeben kann. Um ein Übersteuern zu vermeiden, stellen Sie die Position des Strahls an der Messerkante so ein, dass die Basisspannung etwa 50 % der maximalen Spannung beträgt. Die maximale Spannung ist die Spannung, wenn der volle Strahl auf dem ungehinderten Detektor liegt.<ol><li>Passen Sie die Einstellungen am Oszilloskop an, um 20 Millionen Datenpunkte zu sammeln. Stellen Sie die Datenerfassungsrate auf 500 MHz ein, indem Sie den Regler für die horizontale Skalierung einstellen. Drehen Sie den Auslöseknopf, um bei einer Spannung etwas unter der vom Fotoempfänger erfassten Grundspannung auszulösen. HINWEIS: Die Geschwindigkeit des Tischtennisballs kann durch einfache Mathematik mit den Fotoempfängermodulen ermittelt werden. Die Geschwindigkeit ist der Durchmesser des Tischtennisballs geteilt durch die Zeit, in der der Strahl durch den Ball behindert wird. Ein Mikroprozessor wird verwendet, um das vom inneren Fotoempfängermodul empfangene Signal zu verarbeiten, um automatisch die Geschwindigkeit der Kugel am Ende der Kanone zu messen.</li>
	</ol></li>
</ol>4. Automatische Geschwindigkeitsmessungen
<ol><li>Um einen Mikroprozessor für automatische Geschwindigkeitsmessungen zu verwenden, wandeln Sie das Signal des Fotoempfängermoduls in einen 0-5-V-Impuls um, wie in Abbildung 5 gezeigt, mit einem Komparator, der bei etwa 10 % der Basisspannung auslöst. Schließen Sie das konvertierte Signal an Port 7 des Mikroprozessors an.</li>
	<li>Laden Sie "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (Supplementary File 6) herunter und laden Sie es auf den Mikroprozessor hoch.</li>
	<li>Schließen Sie das Display und die Treiberplatine des RA8875 an die dafür vorgesehenen Anschlüsse des Mikroprozessors an.</li>
</ol>5. Aufstellen und Abfeuern der Tischtenniskanone
<ol><li>Setzen Sie einen Gehör- und Augenschutz auf, bevor Sie die Kanone abfeuern.</li>
	<li>Setze einen Tischtennisball in den Ausgang der Kanone ein. Blasen Sie leicht in das Ende der Kanone, bis die Kugel auf die Vakuumarmatur in der Nähe des Rohreingangs trifft.</li>
	<li>Befestigen Sie ein 3 Zoll x 3 Zoll großes Quadrat Klebeband am Flansch am austretenden Ende der Kanone und ein zweites Quadrat an der Acrylkappe. Versiegeln Sie das Klebeband so, dass es an der Oberfläche des Flansches und der Kappe haftet. Anmerkungen: Wenn Falten oder große Blasen vorhanden sind, muss das Klebeband entsorgt werden. Wenn das Klebeband nicht ausreichend auf der Oberfläche haftet, kann das Vakuum verloren gehen und die Kanone kann vorzeitig feuern. Wenn das Vakuum zu irgendeinem Zeitpunkt verloren geht, kann das an die Vakuumpumpe angeschlossene Nadelventil geöffnet werden, um das System ins Gleichgewicht zu bringen.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl auf der Messerkante zentriert ist, der Abzug richtig eingestellt ist und der Auffangbehälter sicher ist.</li>
	<li>Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um die Leitung auf einen reduzierten Absolutdruck von weniger als 2 Torr zu evakuieren. Sobald ein ausreichendes Vakuum erreicht ist, stechen Sie das Klebeband am Eingang mit einem scharfen Gegenstand wie einer Jagdspitze oder einer Rasierspitze ein.</li>
	<li>Schalten Sie nach dem Brennen die Vakuumpumpe aus. Entfernen Sie das Klebeband vom Austrittsflansch und der Acrylkappe.</li>
</ol>6. Aufbau und Abfeuerung der Überschall-Ping-Pong-Kanone
<ol><li>Tragen Sie aus Sicherheitsgründen während des gesamten Brennvorgangs einen Gehör- und Augenschutz.</li>
	<li>Schneiden Sie Bleche von 0,0005 Zoll, 0,001 Zoll und 0,002 Zoll Polyesterfolie, die den Abmessungen des Flansches entsprechen. Diese Bleche können von Hand oder vorzugsweise mit einem Laserschneider geschnitten werden. Verwenden Sie die Ergänzungsdatei "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (Ergänzungsdatei 7) als Gliederung. ANMERKUNG: Für die Zwecke dieses Experiments wurde die Kanone mit einzelnen Blättern von 0,0005 Zoll, 0,001 Zoll und 0,002 Zoll in Polyesterfolie abgefeuert, und die Ergebnisse sind in Abbildung 7 aufgezeichnet. Eine Vorlage zum Laserschneiden der Polyesterfolie finden Sie als SVG-Datei (Supplementary File 7).</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass das Ventil vom Luftkompressor zum Treiberrohr geschlossen ist. Füllen Sie den Luftkompressor vor, um eine schnellere Befüllung des Treiberrohrs zu ermöglichen, wenn die Kanone schussbereit ist.</li>
	<li>Setze einen Tischtennisball in den Ausgang der Kanone ein. Blasen Sie leicht in das Ende der Kanone, bis die Kugel durch die Vakuumarmatur in der Nähe des Eingangs des angetriebenen Rohrs gestoppt wird.</li>
	<li>Befestigen Sie ein 3 Zoll x 3 Zoll großes Klebeband am austretenden Ende der Kanone. Dichten Sie das Band so ab, dass es an der Oberfläche des Flansches haftet. Anmerkungen: Wenn Falten oder große Blasen vorhanden sind, muss das Klebeband entsorgt werden. Wenn das Klebeband nicht ausreichend auf der Oberfläche haftet, kann das Vakuum verloren gehen und die Kanone kann vorzeitig feuern. Wenn Vakuumlecks oder andere Komplikationen auftreten, verwenden Sie das Druckentlastungsventil am Mitnehmerrohr und das Nadelventil an der Vakuumpumpe, um das System ins Gleichgewicht zu bringen.</li>
	<li>Setzen Sie eine vorgeschnittene dünne Polyestermembran zwischen zwei Gummidichtungen ein. Platzieren Sie die Membran und die Gummidichtungen zwischen dem Treiber- und dem angetriebenen Teil der Kanone. Verbinden Sie die beiden Abschnitte mit 4 Nockenklemmen fest.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl auf der Messerkante zentriert ist, der Abzug richtig eingestellt ist und der Auffangbehälter sicher ist.</li>
	<li>Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um die Leitung auf einen reduzierten Absolutdruck von weniger als 2 Torr zu evakuieren. Lassen Sie den Druck vom Luftkompressor in das Treiberrohr ab. Lassen Sie den Druck ansteigen, bis die Membran platzt und die Druckluft im Treiberrohr das evakuierte angetriebene Rohr schnell füllt.</li>
	<li>Schalten Sie nach dem Abfeuern der Kanone den Luftkompressor und die Vakuumpumpe aus. Entfernen Sie die geplatzte Polyestermembran und das Klebeband von der Kanone.</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>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

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...

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 eindringen kann und die Kugel Spitzenbeschleunigungen von etwa 5.000 g erfährt. Die Kugel, die allein durch den atmosphärischen Druck beschleunigt wird, verlässt die Kanone mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 m/s, nachdem sie 2 m zurückgelegt wurde.
Obwohl das PPC üblicherweise als einfache Demonstration des atmosphärischen Drucks betrieben wird, ist es auch eine Apparatur, die eine komplexe kompressible Strömungsphysik aufweist, was zu zahlreichen unbefristeten Studentenprojekten geführt hat. Die Dynamik des Balls wird durch sekundäre Faktoren wie die Wandreibung, das Austreten von Luft um den Ball herum und die Bildung von Stoßwellen durch den beschleunigenden Ball beeinflusst. Die erhebliche Beschleunigung des Balls führt zu einer Kompressionswelle mit großer Amplitude, die sich durch das Rohr vor dem Ball ausbreitet. Diese Kompressionen bewegen sich schneller als die lokale Schallgeschwindigkeit, was zu einer Versteilerung der Kompressionswelle und schließlich zur Bildung einer Stoßwelleführt 6. Frühere Arbeiten haben den raschen Druckaufbau am Ausgang des Rohres aufgrund der Reflexionen der Stoßwelle zwischen der Kugel und dem abgeklebten Ausgang des Rohres und das daraus resultierende Ablösen des Bandes vor dem Austritt der Kugel2 untersucht. Hochgeschwindigkeitsvideos mit einer Einspiegel-Schlieren-Bildgebungstechnik haben die Reaktion des Bandes auf die reflektierenden Stoßwellen und die eventuelle Ablösung des Bandes am Ausgang des PPC 7,8 gezeigt (Video 1). So dient das PPC sowohl als einfache Demonstration des Luftdrucks, die ein Publikum jeden Alters fasziniert, als auch als ein Gerät, das eine komplexe Strömungsphysik aufweist, die in einer Laborumgebung sehr detailliert untersucht werden kann.
Bei der Standard-PPC sind die Geschwindigkeiten der Tischtennisbälle durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. Diese Basisversion des PPC wird im Rahmen dieses Artikels behandelt, zusammen mit einer modifizierten Kanone, die verwendet wird, um den Ball auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. In früheren Arbeiten von French et al. wurden Überschall-Tischtennisballgeschwindigkeiten durch die Verwendung einer druckgesteuerten Strömung durch eine konvergierende-divergierende Düse 9,10,11 erreicht. Der hier vorgestellte SSPPC verwendet ein druckbeaufschlagtes (Treiber-)Rohr, um eine größere Druckdifferenz auf dem Tischtennisball zu erzeugen, als dies durch den atmosphärischen Druck allein erreicht wird. Eine dünne Polyestermembran wird verwendet, um das Mitnehmerrohr von dem evakuierten (angetriebenen) Rohr zu trennen, das die Kugel enthält. Diese Membran reißt bei ausreichendem Relativdruck (in der Regel 5-70 psi, abhängig von der Membrandicke) und beschleunigt so den Tischtennisball auf Geschwindigkeiten von bis zu Mach 1,4. Der Überschall-Ping-Pong-Ball erzeugt eine stehende Stoßwelle, wie mit Hochgeschwindigkeits-Schattendiagramm-Bildgebungsverfahren 7,12 (Video 2) zu sehen ist.
Ein HeNe-Laser mit geringer Leistung (Klasse II) wird verwendet, um optische diagnostische Studien über die Leistung der Kanone durchzuführen. Der HeNe-Laserstrahl ist in zwei Pfade aufgeteilt, wobei ein Pfad durch eine Reihe von Acrylfenstern in der Nähe des Ausgangs der Kanone verläuft und der zweite Pfad direkt hinter dem Ausgang der Kanone verläuft. Jeder Pfad endet auf einem Fotoempfänger und das Signal wird auf einem Zweikanal-Oszilloskop angezeigt. Die Oszilloskopspur, die während des Abfeuerns der Kanone aufgezeichnet wird, gibt Aufschluss sowohl über die Geschwindigkeit des beschleunigten Tischtennisballs als auch über die kompressible Strömung und die Stoßwellen, die dem Austritt der Kugel aus der Kanone vorausgehen. Die Geschwindigkeit des Tischtennisballs mit einem Durchmesser von 40 mm an jeder Strahlposition steht in direktem Zusammenhang mit der Zeit, in der der Ball den Strahl blockiert. Eine empfindliche "messerscharfe" Stoßdetektionseinrichtung wird erreicht, indem die Hälfte des Detektors mit einem Stück schwarzem Isolierband bedeckt und die Kante des Bandes in der Mitte des Strahls2 positioniert wird. Bei diesem Aufbau sind leichte Ablenkungen des He-Ne-Laserstrahls, die durch den kompressiblen strömungsinduzierten Index von Brechungsgradienten erzeugt werden, als Spannungsspitzen auf der Oszilloskopkurve deutlich sichtbar. Die Stoßwellen, die sich in Richtung des Kanonenausgangs ausbreiten, und die reflektierten Stoßwellen lenken den Strahl in entgegengesetzte Richtungen ab und werden daher entweder durch eine positive oder negative Spannungsspitze gekennzeichnet.
Hier geben wir Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung einer optimierten PPC und SSPPC sowie optische Diagnosetechniken (Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3). Die optischen diagnostischen Techniken und Messungen wurden in den vorangegangenen Studienjahren 1,2 entwickelt.

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

optische hochgeschwindigkeitsdiagnostik einer Überschall-ping-pong-kanone

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

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.

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...

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.

Optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik einer Überschall-Ping-Pong-Kanone

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 ...

Wir bieten Anleitungen zum Bau und Betrieb einer Überschall-Tischtenniskanone sowie optische Diagnosetechniken zur Messung von Ballgeschwindigkeiten und zur Detektion von Stoßwellen. Der optische Messerkantenaufbau ist hochempfindlich gegenüber kleinen, traversen Ablenkungen eines Laserstrahls und bietet eine Möglichkeit zur Detektion von Stoßwellen, die mit der Kanone verbunden sind. Versorgen Sie zunächst die Fotoempfänger und das Lasermodul mit Strom, indem Sie sie an ein strombegrenztes 15-Volt-Netzteil und ein Lasernetzteil anschließen.Schließen Sie dann die Fotoempfänger mit BNC-Kabeln an die beiden Kanäle des Oszilloskops an. Für die optische Diagnoseeinrichtung platzieren Sie den Laser senkrecht zur hergestellten Kanone, wobei der erste Strahl durch die Acrylfenster im Rohr und der zweite direkt außerhalb des Kanonenausgangs verläuft. Legen Sie schwarzes Isolierband über die Hälfte des Fotoempfängersensors, um eine Messerkanten-Schockerkennung zu erstellen.Um ein Übersteuern zu vermeiden, stellen Sie die Strahlposition an der Messerkante so ein, dass die Basislinienspannung etwa 50 % des Maximums beträgt. Passen Sie als Nächstes die Einstellungen am Oszilloskop an, um 20 Millionen Datenpunkte zu sammeln. Stellen Sie mit dem Drehregler für die horizontale Skalierung die Datenerfassungsrate auf 500 Megahertz ein.Drehen Sie den Auslöseknopf, um bei einer Spannung auszulösen, die etwas unter der eingestellten Basislinie liegt, die vom Fotoempfänger erfasst wurde. Tragen Sie vor dem Abfeuern der PPC einen Gehör- und Augenschutz. Führen Sie einen Tischtennisball in den Ausgang der Kanone ein und blasen Sie leicht in das Ende der Kanone, bis er die Vakuumarmatur in der Nähe des Rohreingangs trifft.Versiegeln Sie den Austrittsflansch und die Acrylkappe der Kanone mit zwei Stücken quadratischem Klebeband. Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl auf der Messerkante zentriert ist, der Abzug richtig positioniert ist und der Fangbehälter sicher ist. Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um die Leitung auf einen reduzierten Absolutdruck von weniger als zwei Torr zu evakuieren.Sobald ein ausreichendes Vakuum erreicht ist, verwenden Sie eine Jagdspitze, um das Klebeband am Eingang zu durchstechen. Schalten Sie nach dem Brennen die Vakuumpumpe aus und entfernen Sie das restliche Klebeband vom Austrittsflansch und der Acrylkappe. Um die Überschall-PPC zu zünden, schließen Sie das Ventil, das das Treiberrohr mit dem Luftkompressor verbindet, und füllen Sie den Luftkompressortank.Blasen Sie den Ball, wie zuvor demonstriert. Nachdem Sie den Überschall-PPC-Austrittsflansch abgedichtet haben, setzen Sie eine dünne, vorgeschnittene Polyestermembran zwischen zwei Gummidichtungen ein und platzieren Sie sie zwischen dem Mitnehmer und den angetriebenen Abschnitten der Kanone. Verbinden Sie die beiden Abschnitte mit vier Nockenklemmen.Sobald der Druck in der Leitung reduziert ist, lassen Sie den Druck vom Luftkompressor in das Treiberrohr ab, sodass der Druck ansteigen kann, bis die Membran reißt und die Druckluft im Treiberrohr das evakuierte angetriebene Rohr füllt. Schalten Sie nach der Überschall-PPC-Zündung den Luftkompressor und die Vakuumpumpe aus. Entfernen Sie die gerissene Polyestermembran und das Klebeband von der Kanone.Die sich ausbreitende Stoßwelle, die während des gesamten Kanonenfeuers reflektiert wurde, wurde durch eine Änderung der Spannung in Bezug auf die Zeit dargestellt. Eine positive oder negative Spitze zeigt die Richtung der Stoßwelle im Signal an, und die Geschwindigkeit wurde anhand der quadratischen Pulsbreite berechnet, die durch das Abschneiden des Strahls durch die Kugel erzeugt wird. Ein Mikroprozessor wurde verwendet, um das Signal des Strahls, der das Rohrinnere durchquert, zu verarbeiten, um die Kugelgeschwindigkeit in der Nähe des Kanonenausgangs automatisch zu berechnen und anzuzeigen.Die Oszilloskopspuren demonstrierten die zweikanalige Befeuerung des Überschall-PPC. Die obere Spur stellt den Strahl dar, der das Innere der Kanone in der Nähe des Ausgangs durchquert. Die untere Spur hingegen entspricht dem Strahl, der nach dem Verlassen der Kanone die Bahn des Tischtennisballs durchquert.Ein Cutoff-Signal zeigte an, dass die Kugel vorbeiflog und jeden Strahl behinderte. Das Diagramm der Druckdifferenz über die Machzahl zeigte, dass 0,001 und 0,002 Zoll dicke Membranen bei ausreichender Druckdifferenz reißen, um den Tischtennisball auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Kugelgeschwindigkeit war konstant größer als Mach 1,3 mit einer 0,002 Zoll dicken Membran.Die vorgestellte Überschall-Ping-Pong-Kanone und die optische Diagnostik werden den Wert der Kanone sowohl als Demonstrationsgerät als auch als Apparatur für anschließende Laborexperimente steigern.

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Forschung

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Erfahren Sie den Aufbau einer Überschall-Ping-Pong-Kanone und optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik zur Messung von Ballgeschwindigkeiten und Stoßwellendetektion. Diese Methode ermöglicht präzise physikalische Analysen.

Optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik einer Überschall-Ping-Pong-Kanone

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