אנו מתארים שיטה לבניית תותח פינג פונג על-קולי (SSPPC) יחד עם טכניקות אבחון אופטיות למדידת מהירויות כדור ואפיון גלי הלם מתפשטים במהלך ירי התותח.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
אנו מתארים שיטה לבניית תותח פינג פונג על-קולי (SSPPC) יחד עם טכניקות אבחון אופטיות למדידת מהירויות כדור ואפיון גלי הלם מתפשטים במהלך ירי התותח.
תותח הפינג-פונג המסורתי (PPC) הוא מנגנון חינוכי המשגר כדור פינג-פונג במורד צינור מפונה למהירויות כמעט קוליות באמצעות לחץ אטמוספרי בלבד. ה-SSPPC, גרסה מוגברת של ה-PPC, משיגה מהירויות על-קוליות על ידי האצת הכדור בלחץ אטמוספרי גדול מהלחץ האטמוספרי. אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו- SSPPC אופטימליים.
דיאגנוסטיקה אופטית מיושמת לצורך חקירת הדינמיקה של התותח. לייזר HeNe הנשלח דרך שני חלונות אקריליים בסמוך ליציאת הצינור מסתיים בחיישן פוטו-מקלט. מיקרו-מעבד מודד את הזמן שבו הקרן נחסמת על ידי כדור הפינג-פונג כדי לחשב באופן אוטומטי את מהירות הכדור. התוצאות מוצגות מיד על צג LCD.
מערך קצה סכין אופטי מספק אמצעי רגיש ביותר לזיהוי גלי הלם על ידי חיתוך חלק קטן מקרן HeNe בחיישן. גלי הלם גורמים לסטיות הנגרמות על ידי שבירה של הקרן, אשר נצפות כקפיצות מתח קטנות באות החשמלי מהקולט.
השיטות המוצגות ניתנות לשחזור רב ומציעות הזדמנות לחקירה נוספת בסביבת מעבדה.
PPC היא הדגמה פיזיקלית פופולרית המשמשת כדי להראות את לחץ האוויר העצום שאליו אנשים נחשפים ללא הרף 1,2,3,4,5. ההדגמה כוללת מיקום של כדור פינג פונג בקטע צינור בעל קוטר פנימי השווה בקירוב לקוטר הכדור. הצינור נאטם בכל קצה בנייר דבק ומפונה ללחץ פנימי של פחות מ-2 טור. הסרט בקצה אחד של הצינור מנוקב, מה שמאפשר כניסת אוויר לתותח וגורם לכדור לחוות תאוצות שיא של כ-5,000 גרם. הכדור, המואץ על ידי לחץ אטמוספרי בלבד, יוצא מהתותח במהירות של כ-300 מטר לשנייה לאחר נסיעה של 2 מטר.
למרות PPC מופעל בדרך כלל כהדגמה פשוטה של לחץ אטמוספרי, זה גם מכשיר המציג פיזיקה זרימה דחיסה מורכבת, אשר הביא פרויקטים סטודנטים פתוחים רבים. הדינמיקה של הכדור מושפעת מגורמים משניים כגון חיכוך הקיר, דליפת האוויר סביב הכדור והיווצרות גלי הלם על ידי הכדור המואץ. התאוצה המשמעותית של הכדור מציגה גל דחיסה בעל משרעת גדולה שנע במורד הצינור שלפני הכדור. דחיסות אלה נעות מהר יותר ממהירות הקול המקומית, וכתוצאה מכך תלול גל הדחיסה ובסופו של דבר נוצר גל הלם6. עבודות קודמות חקרו את הצטברות הלחץ המהירה ביציאה מהצינור עקב השתקפויות גל ההלם בין הכדור לבין היציאה המודבקת של הצינור והניתוק שנוצר של הקלטת לפני יציאת הכדור2. וידאו במהירות גבוהה באמצעות טכניקת הדמיה של שלירן במראה אחת חשף את תגובת הקלטת לגלי ההלם המשקפים ואת הניתוק הסופי של הקלטת ביציאה של PPC 7,8 (וידאו 1). לפיכך, ה- PPC משמש הן כהדגמה פשוטה של לחץ אוויר המסקרן קהלים בכל הגילאים והן כמכשיר המציג פיזיקת נוזלים מורכבת, אותה ניתן לחקור בפירוט רב בסביבת מעבדה.
עם PPC סטנדרטי, מהירויות כדור פינג פונג מוגבלות על ידי מהירות הקול. גרסה בסיסית זו של PPC מכוסה בהיקף של מאמר זה, יחד עם תותח שונה המשמש כדי להגביר את הכדור למהירויות קוליות. בעבודה קודמת של פרנץ' ואחרים, מהירויות כדורי פינג-פונג על-קוליים הושגו על ידי ניצול זרימה מונעת לחץ דרך זרבובית מתכנסת 9,10,11. ה- SSPPC המוצג כאן משתמש בצינור לחץ (דרייבר) כדי לספק הפרש לחצים גדול יותר על כדור הפינג פונג מאשר מסופק על ידי לחץ אטמוספרי בלבד. דיאפרגמת פוליאסטר דקה משמשת להפרדת צינור הנהג מהצינור המפונה (מונע) המכיל את הכדור. דיאפרגמה זו נקרעת תחת לחץ גייג' מספיק (בדרך כלל 5-70 psi, תלוי בעובי הסרעפת), ובכך מאיצה את כדור הפינג פונג למהירויות של עד 1.4 מאך. כדור הפינג-פונג העל-קולי מייצר גל הלם עומד, כפי שניתן לראות באמצעות טכניקות הדמיה של גרף צללים במהירות גבוהה 7,12 (וידאו 2).
לייזר HeNe בעל הספק נמוך (Class II) משמש לביצוע מחקרי אבחון אופטיים על ביצועי התותח. קרן הלייזר HeNe מחולקת לשני נתיבים, כאשר נתיב אחד חוצה מערכת חלונות אקריליים בסמוך ליציאת התותח והנתיב השני חוצה ממש מעבר ליציאת התותח. כל נתיב מסתיים במקלט פוטו, והאות מוצג באוסילוסקופ דו-ערוצי. עקבות האוסילוסקופ שנרשמו במהלך ירי התותח חושפות מידע הן על מהירות כדור הפינג-פונג המואץ והן על הזרימה הדחוסה וגלי ההלם שקדמו ליציאת הכדור מהתותח. מהירות כדור הפינג-פונג בקוטר 40 מ"מ בכל מיקום קורה קשורה ישירות לזמן שבו הכדור חוסם את הקורה. מערך זיהוי זעזועים רגיש "קצה סכין" מושג על ידי כיסוי מחצית הגלאי בחתיכת סרט חשמלי שחור ומיקום קצה הסרט במרכז הקרן2. עם הגדרה זו, סטיות קלות של קרן הלייזר He-Ne, המיוצרות על ידי אינדקס זרימה דחוס של שיפועי שבירה, נראים בבירור כקפיצות מתח על עקבות האוסילוסקופ. גלי ההלם הנעים לכיוון יציאת התותח וגלי ההלם המוחזרים מסיטים את הקרן לכיוונים מנוגדים ולכן מזוהים על ידי זינוק מתח חיובי או שלילי.
כאן אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו-SSPPC ממוטבים, כמו גם טכניקות אבחון אופטיות (איור 1, איור 2 ואיור 3). טכניקות האבחון האופטי והמדידות פותחו במהלך שנות מחקר קודמות 1,2.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. בנייה והרכבה של תותח פינג פונג (PPC)
2. בנייה והרכבה של תותח פינג-פונג על-קולי (SSPPC)
3. אבחון אופטי
4. מדידות מהירות אוטומטיות
5. הקמה וירי של תותח פינג פונג
6. הקמה וירי של תותח פינג-פונג על-קולי
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כאן, אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו- SSPPC, יחד עם יישום הדיאגנוסטיקה האופטית לאפיון זעזועים ומדידות מהירות. תוצאות ניסוי מייצגות מסופקות גם כן. המערכות שהושלמו של PPC ו-SSPPC, יחד עם האביזרים הדרושים, מוצגות באיור 1 ובאיור 2. SSPPC הוא גרסה מוגברת של PPC, שבו קטע נהיגה, לחץ של צינור מחובר צינור מונע של PPC. מערך האבחון האופטי לזיהוי קצה סכין של גלי הלם ומדידות מהירות של כדורי פינג-פונג מוצג באיור 3. מעקב אוסצילוסקופ לדוגמ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הצגנו שיטה לבניית PPC ו-SSPPC יחד עם דיאגנוסטיקה אופטית למדידת מהירויות כדוריות ולאפיון התפשטות זעזועים בסמוך ליציאת התותח. PPC סטנדרטי בנוי עם קטע 2 מ 'של 1.5 בלוח 80 PVC צינור. הצינור מצויד באוגנים בכל קצה, אביזרי ואקום לחיבור מהיר וחלונות אקריליים בסמוך ליציאה לצורך אבחון לייזר. סכמה מפורטת של PPC מוצגת באיור 1. לפני הירי מכניסים כדור פינג פונג לתותח, והקצוות אטומים. קצה היציאה נאטם על ידי נייר דבק ישירות על האוגן. בקצה השני של הצינור, נייר דבק מאובטח מעל מכסה אקרילי עם מגרעת 1.5 אינץ ', ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין מה לחשוף.
עבודה זו נתמכת על ידי חטיבת NSF לחינוך לתואר ראשון (פרס # 2021157) כחלק מתוכנית IUSE: EHR
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| ספק כוח מוגבל זרם 15 וולט | פוקוס חדש | 0901 | כמות: 1 |
| 2 אינץ' x 6 אינץ' קרש | הום דיפו | BTR KD-HT S | כמות: 1 |
| 5.0 אינץ' 40 פינים 800 x 480 TFT תצוגה | Adafruit | 1680 | כמות: 1 |
| מד לחץ מוחלט | מקמאסטר-קאר | 1791T3 | 0– טור 20 | כמות: 1 |
| כבל פורטר | מדחס אוויר | C2002 | 6 ליטר | כמות: 1 |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | כמות: 1 |
| ASME-Code שסתום שחרור לחץ מהיר פעולה עבור Air | McMaster-Carr | 5784T13 | מצופה ניקל, 3/8 NPT, 125 PSI לחץ סט | כמות: 1 |
| סרט חשמלי שחור | McMaster-Carr | 76455A21 | כמות: 1 |
| כבל BNC | Digikey מספר | 115-095-850-277M050-ND | כמות: 2 |
| מראה דיאלקטרית בפס רחב | THORLABS | BB05-E02 | 400– 750 ננומטר, ואוסלאש; 1/2 אינץ' | כמות: 1 |
| C-Clamp | McMaster-Carr | 5133A15 | 3 אינץ' פתיחה, 2 אינץ' הגעה | כמות: 6 |
| מהדק פקה | רוקלר | 58252 | גודל: 5/16 אינץ'-18 | כמות: 2 (2 חבילות) |
| מד לחץ דיגיטלי | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0– לחץ מוחלט של 100 psi, עם פלט ואזעקות | כמות: 1 |
| מד לחץ דיגיטלי | אומגה הנדסה, בע" | DPG104S | 0– לחץ מוחלט של 100 psi, עם פלט ואזעקות | כמות: 1 |
| תפס ציור | McMaster-Carr | 1889A37 | גודל: 3 3/4 אינץ' x 7/8 אינץ' | כמות: 4 |
| לוח נהג לצגי מגע TFT 40 פינים | Adafruit | 1590 | כמות: 1 |
| אביזרי PVC אטם EPDM | מלאים באינטרנט | 155G125125FF150 | כמות: 2 |
| חומר אטם | McMaster-Carr | 9470K41 | 15 אינץ' x 15 אינץ', עובי 1/8 אינץ' | כמות: 1 |
| Glowforge Plus | Glowforge | Glowforge Plus | כמות: 1 |
| HeNe לייזר | חד פאזי | 1108 | מחלקה 2 | כמות: 1 |
| סרט איטום קופסא גבוה | סקוטש | 53344 | 72 מ"מ רוחב |
| ספק כוח לייזר | חד פאזי | 1201-1 | 115 V .12 A | כמות: 1 |
| משוון LM311 | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | כמות: 1 |
| תושבת מראה | THORLABS | FMP05 | קבועה ו-Oslash; 1/2 אינץ', 8– 32 הקש | כמות: 1 |
| סרט פוליאסטר עמיד בפני לחות | McMaster-Carr | 8567K102 | 10 'x 0.0005 אינץ' x 27 אינץ' | כמות: 1 |
| סרט פוליאסטר עמיד בפני לחות | McMaster-Carr | 8567K12 | 10 'x 0.001 אינץ' x 40 אינץ' | כמות: 1 |
| סרט פוליאסטר עמיד בפני לחות | McMaster-Carr | 8567K22 | 10' x 0.002 אינץ' x 40 אינץ' | כמות: 1 |
| ציר מורטיס עם חורים | McMaster-Carr | 1598A52 | גודל: 1 אינץ' x 1/2 אינץ' | כמות: 4 |
| שסתום מחט | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | כמות: 1 |
| מפצלי קורות קוביות לא מקטבות | THORLABS | BS037 | גודל: 10 מ"מ | כמות: 2 |
| PVC לא מתכתי לוח זמנים 40 | Cantex | A52BE12 | כמות: 2.5 m |
| אביזרי PVC | צמנט ופריימר של Oatey | 30246 | כמות: 1 |
| אטם Buna-N דחוס עמיד בשמן עם חורים ודבק | McMaster-Carr | 8516T454 | 1-1/2 גודל צינור, ANSI 150, עובי 1/16 אינץ' | כמות: 1 |
| Oscilliscope | Tektronix | TBS2102 | כמות: 1 |
| מקלט פוטו | פוקוס חדש | 1801 | 125 מגה-הרץ | כמות: 2 |
| כדורי פינג פונג | MAPOL | FBA_MP-001 | |
| תושבת פלטפורמה שלושה כוכבים עבור מפצל קרן 10 מ"מ ומנסרות בזווית ישרה | THORLABS | BSH10 | 4-40 ברז | כמות: 1 |
| בהירות גבוהה בהירות גבוהה אקריליק שקוף | Glowforge | NA | עובי: 1/8 אינץ' | כמות: 1 |
| Sch 80 PVC כובע | PVC אביזרי PVC מקוונים | 847-040 | גודל: 4 אינץ' | כמות: 1 |
| Sch 80 אביזרי | PVC צינור PVC באינטרנט | 8008-040AB-5 | כמות: 5 רגל |
| Sch 80 צימוד מפחית PVC | אביזרי PVC באינטרנט | 829-419 | גודל: 4 אינץ' x 1-1/2 אינץ' | כמות: 1 |
| Sch 80 PVC אוגן החלקה | אביזרי PVC מקוונים | 851-015 | גודל: 1 1/2 אינץ' | כמות: 3 |
| איטום סיליקון Dow Corning | McMaster-Carr | 7587A2 | 3 oz. צינור, שקוף | כמות: 1 |
| סוגר פינתי מפלדה | McMaster-Carr | 1556A42 | גודל: 1 1/2 אינץ' x 1 1/2 אינץ' x 1/2 אינץ' | כמות: 16 |
| משאבת ואקום | Mastercool | MSC-90059-MD | שלב אחד, 1.5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.