Diagnostic optique à grande vitesse d’un canon de ping-pong supersonique

Résumé

Nous décrivons une méthode pour la construction d’un canon de ping-pong supersonique (SSPPC) ainsi que des techniques de diagnostic optique pour la mesure de la vitesse de la balle et la caractérisation de la propagation des ondes de choc pendant le tir du canon.

Résumé

Le canon de ping-pong traditionnel (PPC) est un appareil éducatif qui lance une balle de ping-pong dans un tuyau évacué à des vitesses presque soniques en utilisant uniquement la pression atmosphérique. Le SSPPC, une version augmentée du PPC, atteint des vitesses supersoniques en accélérant la balle avec une pression supérieure à la pression atmosphérique. Nous fournissons des instructions pour la construction et l’utilisation d’un PPC et d’un SSPPC optimisés.

Les diagnostics optiques sont mis en œuvre dans le but d’étudier la dynamique des canons. Un laser HeNe qui est envoyé à travers deux fenêtres en acrylique près de la sortie du tuyau est terminé sur un capteur photorécepteur. Un microprocesseur mesure le temps pendant lequel le faisceau est obstrué par la balle de ping-pong pour calculer automatiquement la vitesse de la balle. Les résultats sont immédiatement présentés sur un écran LCD.

Une configuration optique à bord de couteau fournit un moyen très sensible de détecter les ondes de choc en coupant une fraction du faisceau HeNe au niveau du capteur. Les ondes de choc provoquent des déviations induites par la réfraction du faisceau, qui sont observées sous forme de petits pics de tension dans le signal électrique du photorécepteur.

Les méthodes présentées sont hautement reproductibles et offrent la possibilité d’approfondir les recherches en laboratoire.

Introduction

Le PPC est une démonstration de physique populaire utilisée pour montrer l’immense pression atmosphérique à laquelle les gens sont continuellement exposés 1,2,3,4,5. La démonstration implique le placement d’une balle de ping-pong dans une section de tuyau dont le diamètre intérieur est approximativement égal au diamètre de la balle. Le tuyau est scellé à chaque extrémité avec du ruban adhésif et évacué à une pression interne inférieure à 2 Torr. Le ruban à une extrémité du tuyau est perforé, ce qui permet à....

Protocole

1. Construction et montage du canon de ping-pong (PPC)

1. Assemblez tous les composants du PPC conformément à la figure 1.
2. Insérez deux fenêtres en acrylique haute clarté sur les côtés du canon pour permettre un sondage optique à l’intérieur du canon.
   1. Percez deux 1/2 trous dans les côtés opposés du PVC près de la sortie du canon.
   2. Préparez deux fenêtres en acrylique épaisses 1/8 à l’aide d’un graveur laser. Téléchargez les trois fichiers svg supplémentaires.
      Remarque : Il existe trois fichiers étiquetés « JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg »
      (Dossier supplémentaire 1

Résultats

Ici, nous fournissons des instructions pour la construction et l’utilisation d’un PPC et d’un SSPPC, ainsi que la mise en œuvre du diagnostic optique pour la caractérisation des chocs et les mesures de vitesse. Des résultats expérimentaux représentatifs sont également fournis. Les systèmes complets du PPC et du SSPPC, ainsi que les accessoires nécessaires, sont illustrés à la figure 1 et à la figure 2. Le SSPPC est une version augmentée du PPC, où une section pr.......

Discussion

Nous avons présenté une méthode pour la construction d’un PPC et d’un SSPPC ainsi que des diagnostics optiques pour la mesure des vitesses de la bille et pour la caractérisation de la propagation des chocs près de la sortie du canon. Le PPC standard est construit avec une section de 2 m de 1,5 dans le tuyau en PVC de l’annexe 80. Le tuyau est équipé de brides à chaque extrémité, de raccords à vide à connexion rapide et de fenêtres en acrylique près de la sortie pour le diagnostic laser. Un schéma détaillé du PPC est prés.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Alimentation limitée à courant 15 V	New Focus	0901	Quantité : 1
planche de 2 po x 6 po	Home Depot	BTR KD-HT S	Quantité : 1
écran TFT 5,0 po 40 broches 800 x 480	Adafruit	1680	Quantité : 1
manomètre absolu	McMaster-Carr	1791T3	0&ndash ; 20 Torr | Quantité : 1
Compresseur d’air	Porter Cable	C2002	6 gallons | Quantité : 1
Arduino UNO Rev3	Arduino	A000066	Quantité : 1
soupape de surpression à action rapide ASME pour Air	McMaster-Carr	5784T13	nickelé, 3/8 NPT, pression de consigne 125 PSI | Quantité : 1
Ruban isolant noir	McMaster-Carr	76455A21	Quantité : 1
Câble BNC	Numéro Digikey	115-095-850-277M050-ND	Quantité : 2
Miroir diélectrique à large bande	THORLABS	BB05-E02	400&ndash ; 750 nm, et Oslash ; 1/2 po | Quantité : 1
C-Clamp	McMaster-Carr	5133A15	Ouverture 3 », portée 2 » | Quantité : 6
Cam Clamp	Rockler	58252	Taille : 5/16"-18 | Quantité : 2 (paquet de 2)
Manomètre numérique	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0&ndash ; Pression absolue de 100 psi, avec sortie et alarmes | Quantité : 1
manomètre numérique	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0&ndash ; Pression absolue de 100 psi, avec sortie et alarmes | Quantité : 1
Loquet	à tirer McMaster-Carr	1889A37	Taille : 3 3/4 » x 7/8 » | Quantité : 4
Driver Board pour écrans tactiles TFT 40 broches	Adafruit	1590	Quantité : 1
Joint EPDM complet	Raccords en PVC en ligne	155G125125FF150	Quantité : 2
Joint Matériau	McMaster-Carr	9470K41	15 » x 15 », 1/8 » d’épaisseur | Quantité : 1
Glowforge Plus	Glowforge	Glowforge Plus	Quantité : 1
HeNe Laser	Uniphase	1108	Classe 2 | Quantité : 1
ruban d’étanchéité pour boîte à haute adhérence	Scotch	53344	72 mm de large.
Alimentation laser	monophasée	1201-1	115 V .12 A | Quantité : 1
Comparateur LM311	Digikey Electronics	296-1389-5-ND	Quantité : 1
Miroir	THORLABS	FMP05	Fixe & Oslash ; 1/2 po, 8 po ; 32 Appuyez | Quantité : 1
pellicule de polyester résistante à l’humidité	McMaster-Carr	8567K102	10' x 0.0005 » x 27 » | Quantité : 1
pellicule de polyester résistante à l’humidité	McMaster-Carr	8567K12	10' x 0.001 » x 40 » | Quantité : 1
pellicule de polyester résistante à l’humidité	McMaster-Carr	8567K22	10' x 0.002 » x 40 » | Quantité : 1
charnière à montage en mourtise avec trous	McMaster-Carr	1598A52	Taille : 1 » x 1/2 » | Quantité : 4
Vanne à pointeau	Robbins Aviation Inc	INSG103-1P	Quantité : 1
Séparateurs de faisceau cubiques non polarisants	THORLABS	BS037	Taille : 10 mm | Quantité : 2
PVC non métallique Schedule 40	Cantex	A52BE12	Quantité : 2.5 m  ;
Oatey PVC Ciment et apprêt	Raccords PVC en ligne	30246	Quantité : 1
Joint d’étanchéité Buna-N compressible résistant à l’huile avec trous et adhésif	McMaster-Carr	8516T454	1-1/2 Taille de tuyau, ANSI 150, 1/16" d’épaisseur | Quantité : 1
oscilliscope	Tektronix	TBS2102	Quantité : 1
photorécepteur	New Focus	1801	125-MHz | Quantité : 2
balles de ping-pong	MAPOL	FBA_MP-001 Monture de plate-forme	trois étoiles
pour séparateur de faisceau de 10 mm et prismes à angle droit	THORLABS	BSH10	4-40 Tap | Quantité : 1
Proofgrade High Clarity Clear Acrylic	Glowforge	NA	Épaisseur : 1/8" | Quantité : 1
sch 80 Capuchon en PVC	Raccords en PVC	847-040	Taille : 4" | Quantité : 1
Sch 80 Tuyaux en PVC	Raccords en PVC en ligne	8008-040AB-5	Quantité : 5 ft
Sch 80 PVC Réducteur	Raccords en PVC en ligne	829-419	Taille : 4 » x 1-1/2 » | Quantité : 1
sch 80 PVC bride coulissante	raccords en PVC en ligne	851-015	Taille : 1 1/2" | Quantité : 3
Scellant silicone Dow Corning	McMaster-Carr	7587A2	Tube de 3 oz, transparent | Quantité : 1
support de coin en acier	McMaster-Carr	1556A42	Taille : 1 1/2 » x 1 1/2 » x 1/2 » | Quantité : 16
pompe à vide	Mastercool	; MSC-90059-MD	1 étage, 1,5 CFM, 1/6 HP, 115 V/60 HZ