Diagnóstico óptico de alta velocidad de un cañón supersónico de ping-pong

Resumen

Describimos un método para la construcción de un cañón supersónico de ping-pong (SSPPC) junto con técnicas de diagnóstico óptico para la medición de las velocidades de la bola y la caracterización de las ondas de choque propagadoras durante el disparo del cañón.

Resumen

El cañón de ping-pong tradicional (PPC) es un aparato educativo que lanza una pelota de ping-pong por una tubería evacuada a velocidades casi sónicas utilizando solo la presión atmosférica. El SSPPC, una versión aumentada del PPC, alcanza velocidades supersónicas acelerando la pelota con una presión superior a la atmosférica. Proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y SSPPC optimizados.

Los diagnósticos ópticos se implementan con el propósito de investigar la dinámica del cañón. Un láser HeNe que se envía a través de dos ventanas de acrílico cerca de la salida de la tubería termina en un sensor fotorreceptor. Un microprocesador mide el tiempo que el haz es obstruido por la pelota de ping-pong para calcular automáticamente la velocidad de la pelota. Los resultados se presentan inmediatamente en una pantalla LCD.

Una configuración óptica de filo de cuchilla proporciona un medio altamente sensible para detectar ondas de choque al cortar una fracción del haz HeNe en el sensor. Las ondas de choque causan desviaciones del haz inducidas por la refracción, que se observan como pequeños picos de voltaje en la señal eléctrica del fotorreceptor.

Los métodos presentados son altamente reproducibles y ofrecen la oportunidad de una mayor investigación en un entorno de laboratorio.

Introducción

El PPC es una demostración de física popular utilizada para mostrar la inmensa presión del aire a la que las personas están continuamente expuestas 1,2,3,4,5. La demostración consiste en la colocación de una pelota de ping-pong en una sección de tubería que tiene un diámetro interior que es aproximadamente igual al diámetro de la pelota. La tubería se sella en cada extremo con cinta adhesiva y se evacua a una presión interna de menos de 2 Torr. La cinta en un extremo de la tubería está perforada, lo que per....

Protocolo

1. Construcción y montaje del cañón de ping-pong (PPC)

1. Ensamble todos los componentes del PPC de acuerdo con la Figura 1.
2. Inserte dos ventanas de acrílico de alta claridad en los lados del cañón para permitir el sondeo óptico a través del interior del cañón.
   1. Perfore dos 1/2 agujeros a través de lados opuestos del PVC cerca de la salida del cañón.
   2. Prepare dos 1/8 en ventanas gruesas de acrílico usando un grabador láser. Descargue los tres archivos svg complementarios.
      NOTA: Hay tres archivos etiquetados como "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
      (Expediente complementar....

Resultados

Aquí, proporcionamos instrucciones para la construcción y utilización de un PPC y un SSPPC, junto con la implementación del diagnóstico óptico para la caracterización de choques y mediciones de velocidad. También se proporcionan resultados experimentales representativos. Los sistemas completos de PPC y SSPPC, junto con los accesorios necesarios, se muestran en la Figura 1 y la Figura 2. El SSPPC es una versión aumentada del PPC, donde una sección de tubería pres.......

Discusión

Hemos presentado un método para la construcción de un PPC y un SSPPC junto con diagnósticos ópticos para la medición de velocidades de bola y para la caracterización de la propagación de choques cerca de la salida del cañón. El PPC estándar está construido con una sección de 2 m de 1,5 en tubería de PVC anexo 80. La tubería está equipada con bridas en cada extremo, accesorios de vacío de conexión rápida y ventanas de acrílico cerca de la salida para el diagnóstico láser. Un esquema detallado del PPC se muestra en la

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Fuente de alimentación limitada de corriente de 15 V	New Focus	0901	Cantidad: 1
tablón de 2" x 6"	Home Depot	BTR KD-HT S	Cantidad: 1
pantalla TFT de 5,0" 40 pines 800 x 480 Adafruit		1680	Cantidad: 1
manómetro absoluto	McMaster-Carr	1791T3	0– 20 Torr | Cantidad: 1
Compresor de aire	Porter Cable	C2002	6 galones | Cantidad: 1
Arduino UNO Rev3	Arduino	A000066	Cantidad: 1
Válvula de alivio de presión de acción rápida con código ASME para aire	McMaster-Carr	5784T13	niquelado, 3/8 NPT, 125 PSI Presión de ajuste | Cantidad: 1
cinta aislante negra	McMaster-Carr	76455A21	Cantidad: 1
Cable BNC Número	digikey	115-095-850-277M050-ND	Cantidad: 2
espejo dieléctrico de banda ancha	THORLABS	BB05-E02	400– 750 nm, Ø 1/2" | Cantidad: 1
abrazadera en C	McMaster-Carr	5133A15	3" de apertura, 2" de alcance | Cantidad: 6
Levas Abrazadera Rockler		58252	Tamaño: 5/16"-18 | Cantidad: 2 (paquete de 2)
Manómetro digital	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0– Presión absoluta de 100 psi, con salida y alarmas | Cantidad: 1
Manómetro Digital	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0– Presión absoluta de 100 psi, con salida y alarmas | Cantidad: 1
Tirador Pestillo	McMaster-Carr	1889A37	Tamaño: 3 3/4" x 7/8" | Cantidad: 4
Placa de controlador para pantallas táctiles TFT de 40 pines	Adafruit	1590	Cantidad: 1
junta de EPDM de cara completa	Accesorios de PVC en línea	155G125125FF150	Cantidad: 2
material de la junta	McMaster-Carr	9470K41	15" x 15", 1/8" de espesor | Cantidad: 1
Glowforge Plus	Glowforge	Glowforge Plus	Cantidad: 1
Láser HeNe	Unifásico	1108	Clase 2 | Cantidad: 1
Cinta de sellado de caja de alta adherencia	Scotch	53344	72 mm de ancho
Fuente de alimentación láser	unifásica	1201-1	115 V .12 A | Cantidad: 1
Comparador LM311	Digikey Electronics	296-1389-5-ND	Cantidad: 1
Soporte	de espejo THORLABS	FMP05	fijo y oslash; 1/2", 8– 32 Toque | Cantidad: 1
Película de poliéster resistente a la humedad	McMaster-Carr	8567K102	10' x 0.0005" x 27" | Cantidad: 1
Película de poliéster resistente a la humedad	McMaster-Carr	8567K12	10' x 0.001" x 40" | Cantidad: 1
Película de poliéster resistente a la humedad	McMaster-Carr	8567K22	10' x 0.002" x 40" | Cantidad: 1
Bisagra de montaje con agujeros	McMaster-Carr	1598A52	Tamaño: 1" x 1/2" | Cantidad: 4
Válvula de aguja	Robbins Aviation Inc	INSG103-1P	Cantidad: 1
Divisores de haz de cubo no polarizados	THORLABS	BS037	Tamaño: 10 mm | Cantidad: 2
PVC no metálico cédula 40	Cantex	A52BE12	Cantidad: 2.5 m
Oatey PVC Cemento y Primeros	Accesorios de PVC en línea	30246	Cantidad: 1
Junta Buna-N Compresible Resistente al Aceite con Orificios y Adhesivo	McMaster-Carr	8516T454	1-1/2 Tamaño de Tubería, ANSI 150, 1/16" de Espesor | Cantidad: 1
Oscilioscopio	Tektronix	TBS2102	Cantidad: 1
Fotorreceptor	New Focus	1801	125-MHz | Cantidad: 2
pelotas de ping pong	MAPOL	FBA_MP-001 Soporte de plataforma de	tres estrellas
para divisor de haz de 10 mm y prismas de ángulo recto	THORLABS	BSH10	4-40 Grifo | Cantidad: 1
Proofgrade High Clarity Clear Acrylic	Glowforge	NA	Grosor: 1/8" | Cantidad: 1
Sch 80 PVC Cap	PVC Fittings Online	847-040	Tamaño: 4" | Cantidad: 1
Sch 80 Tubería de PVC	Accesorios de PVC en línea	8008-040AB-5	Cantidad: 5 pies
Sch 80 PVC Reductor	Acoplamiento Accesorios de PVC en línea	829-419	Tamaño: 4" x 1-1/2" | Cantidad: 1
Sch 80 PVC con brida deslizante	Accesorios de PVC en línea	851-015	Tamaño: 1 1/2" | Cantidad: 3
Sellador de Silicona Dow Corning	McMaster-Carr	7587A2	Tubo de 3 oz., transparente | Cantidad: 1
Soporte de esquina de acero	McMaster-Carr	1556A42	Tamaño: 1 1/2" x 1 1/2" x 1/2" | Cantidad: 16
Bomba de vacío	Mastercool	MSC-90059-MD	1 Etapa, 1.5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ

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