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Article de méthode

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

3.1K vues

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DOI :

10.3791/64996

⸱

24 mars 2023

 , 

* These authors contributed equally

Dans cet article

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....

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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

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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.......

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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.......

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail est soutenu par la NSF Division of Undergraduate Education (prix # 2021157) dans le cadre du programme IUSE: EHR

....

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Alimentation limitée à courant 15 VNew Focus0901Quantité : 1
planche de 2 po x 6 poHome DepotBTR KD-HT SQuantité : 1
écran TFT 5,0 po 40 broches 800 x 480Adafruit1680Quantité : 1
manomètre absoluMcMaster-Carr1791T30&ndash ; 20 Torr | Quantité : 1
Compresseur d’airPorter CableC20026 gallons | Quantité : 1
Arduino UNO Rev3ArduinoA000066Quantité : 1
soupape de surpression à action rapide ASME
pour Air
McMaster-Carr5784T13nickelé, 3/8 NPT, pression de consigne 125 PSI | Quantité : 1
Ruban isolant noirMcMaster-Carr76455A21Quantité : 1
Câble BNCNuméro Digikey115-095-850-277M050-NDQuantité : 2
Miroir diélectrique à large bandeTHORLABSBB05-E02400&ndash ; 750 nm, et Oslash ; 1/2 po | Quantité : 1
C-ClampMcMaster-Carr5133A15Ouverture 3 », portée 2 » | Quantité : 6
Cam ClampRockler58252Taille : 5/16"-18 | Quantité : 2 (paquet de 2)
Manomètre numériqueOmega Engineering, Inc.DPG104S0&ndash ; Pression absolue de 100 psi, avec sortie et alarmes | Quantité : 1
manomètre numériqueOmega Engineering, Inc.DPG104S0&ndash ; Pression absolue de 100 psi, avec sortie et alarmes | Quantité : 1
Loquetà tirer McMaster-Carr1889A37Taille : 3 3/4 » x 7/8 » | Quantité : 4
Driver Board pour écrans tactiles TFT 40 brochesAdafruit1590Quantité : 1
Joint EPDM completRaccords en PVC en ligne155G125125FF150Quantité : 2
Joint MatériauMcMaster-Carr9470K4115 » x 15 », 1/8 » d’épaisseur | Quantité : 1
Glowforge PlusGlowforgeGlowforge PlusQuantité : 1
HeNe LaserUniphase1108Classe 2 | Quantité : 1
ruban d’étanchéité pour boîte à haute adhérenceScotch5334472 mm de large.
Alimentation lasermonophasée1201-1115 V .12 A | Quantité : 1
Comparateur LM311Digikey Electronics296-1389-5-NDQuantité : 1
MiroirTHORLABSFMP05Fixe & Oslash ; 1/2 po, 8 po ; 32 Appuyez | Quantité : 1
pellicule de polyester résistante à l’humiditéMcMaster-Carr8567K10210' x 0.0005 » x 27 » | Quantité : 1
pellicule de polyester résistante à l’humiditéMcMaster-Carr8567K1210' x 0.001 » x 40 » | Quantité : 1
pellicule de polyester résistante à l’humiditéMcMaster-Carr8567K2210' x 0.002 » x 40 » | Quantité : 1
charnière à montage en mourtise avec trousMcMaster-Carr1598A52Taille : 1 » x 1/2 » | Quantité : 4
Vanne à pointeauRobbins Aviation IncINSG103-1PQuantité : 1
Séparateurs de faisceau cubiques non polarisantsTHORLABSBS037Taille : 10 mm | Quantité : 2
PVC non métallique Schedule 40CantexA52BE12Quantité : 2.5 m  ;
Oatey PVC Ciment et apprêtRaccords PVC en ligne30246Quantité : 1
Joint d’étanchéité Buna-N compressible résistant à l’huile avec trous et adhésifMcMaster-Carr8516T4541-1/2 Taille de tuyau, ANSI 150, 1/16" d’épaisseur | Quantité : 1
oscilliscopeTektronixTBS2102Quantité : 1
photorécepteurNew Focus1801125-MHz | Quantité : 2
balles de ping-pongMAPOLFBA_MP-001 Monture de plate-formetrois étoiles
pour séparateur de faisceau de 10 mm et prismes à angle droitTHORLABSBSH104-40 Tap | Quantité : 1
Proofgrade High Clarity Clear AcrylicGlowforgeNAÉpaisseur : 1/8" | Quantité : 1
sch 80 Capuchon en PVCRaccords en PVC847-040Taille : 4" | Quantité : 1
Sch 80 Tuyaux en PVCRaccords en PVC en ligne8008-040AB-5Quantité : 5 ft
Sch 80 PVC RéducteurRaccords en PVC en ligne829-419Taille : 4 » x 1-1/2 » | Quantité : 1
sch 80 PVC bride coulissanteraccords en PVC en ligne851-015Taille : 1 1/2" | Quantité : 3
Scellant silicone Dow CorningMcMaster-Carr7587A2Tube de 3 oz, transparent | Quantité : 1
support de coin en acierMcMaster-Carr1556A42Taille : 1 1/2 » x 1 1/2 » x 1/2 » | Quantité : 16
pompe à videMastercool  ; MSC-90059-MD1 étage, 1,5 CFM, 1/6 HP, 115 V/60 HZ

Références

  1. Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. The ping-pong cannon: A closer look. The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).
  2. Olson, G., et al. The role of shock waves in expansion tube accelerators. American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).
  3. ....

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Réimpressions et autorisations

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