פיתוח של התקנה ניסיונית עבור המדידה של מקדם התקומה בתנאי אבק

המטרה הכוללת של מערך ניסוי זה היא למדוד את מקדם ההשבה של חלקיקים המתנגשים בתנאי ואקום. שיטה זו עשויה לתרום לפתרון בעיות הנדסיות, מאחר שמקדם ההשבה רלוונטי לכל פעולה הנדסית, כגון הובלה, טיפול ואחסון של מוצקים גרנולריים בתעשייה ההנדסית. היתרון המרכזי של שיטה זו הוא שניתן להחילו אותה על אבקות דקות בתנאי ואקום, מבלי להאיץ את החלקיק בעת כניסתו לתא.

סוון דרוקר, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי, ידגים את הפרוצדורה. הוא עובד במסגרת פרויקט בשם Pardem. לעבודה עם חלקיקים בכל גודל, הסיר תחילה את השרוול המכסה את תא הוואקום והרם את המכסה העליון.

לאחר מכן, הכניסו לתא את תחתית המערכת (base-plate) בעלת חומר הדופן הרצוי. כעת, סובבו את חלקו התחתון של תא הוואקום הצידה והחליקו בזהירות את תחתית המערכת למיקומה. לאחר מכן, בעזרת פינצטה, הניחו בדיוק חלקיק אחד בגודל ידוע במרכז תחתית המערכת.

לאחר מכן, כוון את מיקומו של מצלמת וידאו במהירות גבוהה המותקנת על חצובה, כך שפלטת הבסיס תהיה ברבע התחתון של שדה הראייה והפוקוס יהיה על החלקיק. הגדר את המצלמה המהירה להקליט 10,000 פריימים לשנייה ברזולוציה של 528 על 396 פיקסלים. לאחר מכן, צלם סרטון קצר של החלקיק למטרות התייחסות.

אל תשכחו להוציא את החלקיק לאחר מכן. בעת עבודה עם חלקיקים בגודל 700 מיקרון או גסים יותר, כווננו תחילה את גובה תא החלקיקים כדי להגיע למהירות הפגיעה הרצויה. מדדו את הגובה באמצעות הסרגל המחובר ללוח התמיכה.

לאחר מכן, סגרו את תא החלקיקים באמצעות קצה של פפטה. כעת, הרימו את המכסה העליון של תא הוואקום והכניסו כדור בודד אחד לתוך תא החלקיקים באמצעות פינצטה. דוגמה זו מציגה כדור מוצק.

עם זאת, ניתן לבחון גם כדורים מלאים בנוזל. הניחו את המכסה העליון על החלק התחתון של תא הוואקום וחברו את המכסה העליון ואת החלק התחתון של תא הוואקום באמצעות השרוול. כעת, חבשו משקפי מגן לפני יצירת הוואקום.

בעזרת המשאבה, רוקנו את התא עד להשגת הלחץ הרצוי. לחץ היעד בהדגמה זו הוא 0.1 millibars. לאחר מכן, סגרו את השסתום שבצד התא וכבו את המשאבה.

בשלב זה, התחילו את הקלטת הווידאו. תוך כדי ההקלטה, פתחו את החור של תא החלקיקים כדי לשחרר את החלקיק, ובמקביל משכו וסובבו את המקל המחובר לקצה הפפיטה. פעולה זו תמנע בעיות של stick-slip הנובעות מחיכוך גבוה בין המקל לטבעת האיטום.

מיד לאחר התרחשות הפגיעה, הפסיקו את ההקלטה. ניתן לשמור מספר מוגבל של פריימים, והפריימים הראשונים נדרסים ברגע שהמכסה נחלה. גזרו את הסרטון סביב רגע הפגיעה על גבי המסך, ושמרו אותו בכרטיס הזיכרון.

יש לצפות לחזור על הניסוי כ-10 פעמים כדי לקבל ערך ראשי מדויק. בעבודה עם חלקיקים קטנים יותר, השתמשו בעיקר באותו הליך עם מספר שינויים. העמיסו 50 עד 100 כדורים על דף נייר מקופל, והעבירו את החלקיקים אל תוך התא מהנייר.

בעת משיכת המקל בתחילת הניסוי, משוך אותו באיטיות רבה כדי למנוע מכל החלקיקים ליפול בו-זמנית. בעת חיתוך הסרטון, עשה זאת כך שלפחות 10 פגיעות ממוקדות בבירור יהיו גלויות. לפני הערכת הנתונים, יש להגדיר תחילה את כיול התוכנה.

טענו פריים עם החלקיק בעל הגודל הידוע שהתקבל במהלך ההגדרה. לאחר מכן, ספרו את מספר הפיקסלים של הקוטר האופקי וחלקו את המרחק הידוע במספר הפיקסלים כדי לקבל את מקדם ההמרה, מרחק לכל פיקסל. הציר האופקי נוח יותר לשימוש בשל הניגודיות שבין החלקיק לרקע הלבן.

כדי לחשב את מהירות הפגיעה, הגדירו נקודת ייחוס לתנועה בחלק העליון של הספרה 10 פריימים לפני נקודת הפגיעה, ונקודת ייחוס שנייה פריים אחד לפני הפגיעה. השתמשו במספר הפיקסלים בין שתי הנקודות ובמקדם ההמרה כדי לחשב את המרחק שעבר הגוף. לאחר מכן, חלקו את המרחק בזמן שחלף בין תשעת הפריימים כדי לקבל את מהירות הפגיעה.

כדי לחשב את מהירות הזינוק, השתמשו בנקודות ייחוס בחלקו העליון של הכדור, פריים אחד לאחר הפגיעה ועשרה פריימים לאחר הפגיעה. לבסוף, חשבו את מקדם ההחזר, או COR, כיחס בין מהירות הזינוק למהירות הפגיעה. חזרו על כל השלבים הללו כדי להעריך את כל סרטוני מבחני ההפלה שהוקלטו.

חלקיקי זכוכית בעוביית קטרים של 100 מיקרון עד ארבעה מילימטרים הופלו מגובה ראשוני של 200 מילימטרים על פלטת בסיס מפלדת אל חלד בעובי של 20 מילימטרים. ערך הממוצע של ה-COR היה כ-0.9 עבור חלקיקים של 700 מיקרון ומעלה. תוצאה זו הייתה בלתי תלויה בלחץ האוויר.

עבור חלקיקים בעלי קוטר של פחות מ-400 מיקרונים, ה-COR היה כמעט קבוע עם ערך של 0.9 בתנאי ואקום. תחת לחץ אטמוספרי, מקדם ההחזר פחת עם קוטר החלקיק. התוצאות עבור מהירות הפגיעה תלויות בגודל החלקיק ובלחץ האטמוספרי.

אבקות דקות היו איטיות הרבה יותר תחת לחץ אטמוספרי, בעוד שמהירות הפגיעה שלהן פחתה רק במעט בתנאי ואקום. הנתונים הראו מספר חריגות בולטות ב-700 מיקרון שעשויות היו להיגרם מכליבור שגוי. לאחר צפייה בסרטון זה, צריכה להיות לכם הבנה טובה כיצד למדוד את מקדם ההשבה בניסויי נפילה חופשית בתנאי ואקום.

לאחר השליטה בשיטה, ניתן לבצע אותה בשעה וחצי עבור 10 חלקיקים, במידה והיא מיושמת כראוי. זכרו כי עבודה עם גליל זכוכית בתנאי ואקום היא מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות.