Name: אבחון אופטי במהירות גבוהה של תותח פינג-פונג על-קולי (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T13:10:00.000+00:00
Duration: 5 min 40 s
Description: למדו כיצד לבנות תותח פינג-פונג על-קולי ולהשתמש באבחון אופטי למדידת מהירויות הכדור ואיתור גלי הלם. השיטה מדגימה שימוש בלייזר וקולטי אור לזיהוי רגיש של תופעות על-קוליות בפיזיקה.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכת על ידי חטיבת NSF לחינוך לתואר ראשון (פרס # 2021157) כחלק מתוכנית IUSE: EHR

1. בנייה והרכבה של תותח פינג פונג (PPC)
<ol><li>הרכיבו את כל רכיבי ה-PPC לפי איור 1.</li>
	<li>הכנס שני חלונות אקריליים ברורים בצידי התותח כדי לאפשר חיטוט אופטי על פני פנים התותח.<ol><li>קדח שני 1/2 חורים דרך צדדים מנוגדים של PVC ליד היציאה של התותח.</li>
		<li>הכינו שני חלונות אקריליים עבים בעובי 1/8 אינץ' באמצעות חריטה בלייזר. הורד את שלושת קבצי svg המשלימים. הערה: ישנם שלושה קבצים שכותרתם "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg" (קובץ משלים 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg" (קובץ משלים 2), ו-"JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg" (קובץ משלים 3). יש להשתמש בשלושת הקבצים הללו בסדר המסופק באמצעות התהליך המתואר בכותרת (חריטה/גזירה). יש לקבוע את מהירות הלייזר ואת הגדרות ההספק בהתאם להגדרות המומלצות של היצרן עבור אקריליק. כל שלב חריטה צריך להסיר בערך 1/3 מעובי החומר.</li>
		<li>מוסיפים חומר איטום סיליקון לקצה האקריל, נזהרים שלא לעלות על החלון. לאחר מכן, מקמו את החלונות בחורים, וודאו שהם ניצבים זה לזה. השאירו מספיק זמן לסיליקון להחלים לאחר חלק זה של התהליך. הערה: אם חותך לייזר אינו זמין, ניתן לכרוך פיסת סרט שקוף סביב היקף הצינור כדי לאטום את ה-1/2 בחורים ולשמש כחלון דרך פנים הצינור. ניסויים נוספים יכולים להתבצע על ידי הכנסת חלונות נוספים בתותח כדי למדוד את המהירות והתאוצה של כדור הפינג פונג לאורך הצינור המניע.</li>
	</ol></li>
	<li>בעזרת סנדל חגורה, חול מעל פני האוגן ביציאה של התותח. סיימו את השיוף עם נייר זכוכית דק כך שהסרט יוכל להיצמד היטב לאוגן.</li>
	<li>בעזרת חותך לייזר, חותכים מכסה אקרילי בעקבות "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (קובץ משלים 4). חברו אטם גומי בעל פנים מלאות למכסה האקרילי. הכובע האקרילי הוא מרכיב של אטם הלחץ המשמש בעת ירי PPC.</li>
	<li>אבטח היטב את התותח לירי, ומקם מיכל יציב כדי לתפוס בבטחה את כדור הפינג פונג עם ריפוד מספיק כדי למזער את הפגיעה עם הקיר האחורי של המכולה. הערה: ישנם פתרונות רבים לאבטחת תותח הפינג פונג ולתפיסת הכדור בבטחה. עבור הניסוי המוצג, מערכת הידוק מותאמת אישית נוצרה כדי לאבטח היטב את התותח עם כיוון אופקי. מלחציים אלה ניתן לבנות בעקבות "JoVE_CannonMountTemplate.png" (קובץ משלים 5).<ol><li>השתמש בקובץ משלים 5 כתבנית כדי לחתוך 2 ב x 6 בלוחות עץ. חבר את החלקים העליונים והתחתונים של מערכת ההידוק באמצעות תפס משיכה וציר כדי לאבטח את התותח.</li>
		<li>רפדו את החלק הפנימי של המהדקים בחומר אטם גומי כדי למנוע את החלקת התותח במהלך תהליך הירי. חבר את החלקים העליונים והתחתונים המחוברים של מערכת ההידוק לבסיס באמצעות ארבעה סוגריים פינתיים.</li>
		<li>הרכיבו את מערכת ההידוק שהושלמה על שולחן באמצעות ארבעה מהדקי C. בנו מיכל דיקט בגודל 13 אינץ' על 13 אינץ' על 24 אינץ', וגיבו אותו בארבע יריעות דיקט כדי לתפוס את כדור הפינג פונג. הניחו חומר ריפוד במיכל כדי למנוע ריבאונד כדור. הרכיבו מיכל זה עם מהדקי C על משטח שולחן.</li>
	</ol></li>
</ol>2. בנייה והרכבה של תותח פינג-פונג על-קולי (SSPPC)
<ol><li>הרכיבו את כל רכיבי צינור הנהג לפי איור 2. הערה: ההבדל העיקרי בין PPC לבין SSPPC הוא כי SSPPC מתוגבר עם סעיף נהיגה, לחץ של צינור PVC לוח 80 המחובר לכניסה של PPC. לכן, אם PPC כבר נבנה, כל מה שנותר להרכיב כדי לבנות את SSPPC הוא קטע צינור הנהג.</li>
	<li>אבטחו היטב את התותח לירי ומקמו מיכל יציב שיכול לתפוס בבטחה את כדור הפינג פונג עם ריפוד נרחב כדי למזער את ההשפעה על הקיר האחורי של המכולה. הערה: מערכות ההרכבה והתפיסה המתוארות בשלב 1.5 הן אותן מערכות המשמשות לאבטחת SSPPC.</li>
</ol>3. אבחון אופטי
<ol><li>הגדירו את מקלטי הלייזר, מפצל הקרן, המראה ומקלטי האור על-ידי הרכבת הרכיבים על לוח לחם אופטי, לפי איור 3. כיוון הלייזר בניצב לתותח, כאשר הקרן הראשונה חוצה את פנים הצינור דרך חלונות האקריליק והשנייה עוברת ממש מחוץ ליציאת התותח.</li>
	<li>הפעל את מקלטי האור ואת מודול הלייזר על ידי חיבורם לספק כוח מוגבל זרם של 15 V ולספק כוח לייזר. חבר את מקלטי האור לשני ערוצי האוסילוסקופ באמצעות כבלי BNC.</li>
	<li>הניחו סרט חשמלי שחור מעל מחצית מחיישן מקלט הפוטו. הקלטת משמשת כ"קצה סכין" ליצירת מערך זיהוי זעזועים רגיש. הערה: ניתן לשפר עוד יותר את הרגישות של זיהוי קצה הסכין באמצעות עדשה מתכנסת כדי למקד את הקרן בקצה הסכין. ניתן לשפר את הרגישות גם על ידי הגדלת המרחק שהקרן עוברת למקלט הפוטו, וכתוצאה מכך תזוזה גדולה יותר של הקרן.</li>
	<li>לפני הגדרת רמת ההדק באוסילוסקופ, יש לשים לב במיוחד כדי למנוע גזירה, שיכולה לנבוע מהרגישות של מערך קצה הסכין. כדי למנוע גזירה, התאם את מיקום הקרן על קצה הסכין כך שהמתח הבסיסי יהיה כ- 50% מהמתח המרבי. המתח המרבי הוא המתח כאשר הקרן המלאה נמצאת על הגלאי ללא הפרעה.<ol><li>התאם את ההגדרות באוסילוסקופ כדי לאסוף 20 מיליון נקודות נתונים. הגדר את קצב איסוף הנתונים ל- 500 MHz על-ידי התאמת ידית קנה המידה האופקי. סובב את ידית ההדק כדי לנוע במתח מעט נמוך מהמתח הבסיסי המתקבל ממקלט הפוטו. הערה: ניתן למצוא את מהירות כדור הפינג-פונג באמצעות מתמטיקה פשוטה באמצעות מודולי מקלט התמונות. המהירות היא קוטרו של כדור הפינג-פונג חלקי הזמן שבו הקרן נחסמה על ידי הכדור. מיקרו-מעבד משמש לעיבוד האות המתקבל ממודול מקלט האור הפנימי כדי למדוד באופן אוטומטי את מהירות הכדור בקצה התותח.</li>
	</ol></li>
</ol>4. מדידות מהירות אוטומטיות
<ol><li>כדי להשתמש במיקרו-מעבד למדידות מהירות אוטומטיות, המירו את האות ממודול מקלט האור לפעימה של 0-5 וולט, כפי שמוצג באיור 5, באמצעות משווה שמפעיל בערך 10% מהמתח הבסיסי. חבר את האות שהומר ליציאה 7 של המיקרו-מעבד.</li>
	<li>הורד את "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (קובץ משלים 6), והעלה אותו למיקרו-מעבד.</li>
	<li>חבר את צג RA8875 ואת לוח ההתקן ליציאות הייעודיות במיקרו-מעבד.</li>
</ol>5. הקמה וירי של תותח פינג פונג
<ol><li>שימו מגן על האוזן והעיניים לפני שאתם יורים בתותח.</li>
	<li>הכניסו כדור פינג פונג ליציאת התותח. נושפים קלות בקצה התותח עד שהכדור פוגע בחלל הוואקום הסמוך לפתח הצינור.</li>
	<li>הצמידו 3 אינץ' x 3 בריבוע נייר דבק על האוגן בקצה היוצא של התותח וריבוע שני על מכסה אקריליק. אטמו את הסרט כך שיידבק לפני השטח של האוגן והכובע. הערה: אם יש קמטים או בועות גדולות, יש להשליך את הקלטת. אם הקלטת אינה נצמדת מספיק לפני השטח, הוואקום יכול ללכת לאיבוד, והתותח יכול לירות בטרם עת. אם בשלב כלשהו הוואקום אובד, ניתן לפתוח את שסתום המחט המחובר למשאבת הוואקום כדי להביא את המערכת לשיווי משקל.</li>
	<li>ודא שקרן הלייזר ממורכזת בקצה הסכין, שההדק מוגדר כראוי ומיכל התפיסה מאובטח.</li>
	<li>הפעל את משאבת הוואקום כדי לפנות את הצינור ללחץ מוחלט מופחת של פחות מ -2 טור. לאחר שהושג ואקום מספיק, נקב את הסרט בכניסה עם חפץ חד כגון ראש רחב או קצה גילוח.</li>
	<li>לאחר הירי, כבה את משאבת הוואקום. הסר את הסרט מאוגן היציאה ומהמכסה האקרילי.</li>
</ol>6. הקמה וירי של תותח פינג-פונג על-קולי
<ol><li>למען בטיחות, יש ללבוש שמיעה והגנה על העיניים לאורך כל תהליך הירי.</li>
	<li>גיליונות חתוכים של 0.0005 אינץ', 0.001 אינץ' ו- 0.002 בסרט פוליאסטר התואמים את מידות האוגן. יריעות אלה ניתן לחתוך ביד או, רצוי, באמצעות חותך לייזר. השתמש בקובץ המשלים "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (קובץ משלים 7) כחלוקה לרמות. הערה: לצורך ניסוי זה, התותח נורה ביריעות בודדות של 0.0005 אינץ', 0.001 אינץ' ו-0.002 בסרט פוליאסטר, והתוצאות מתועדות באיור 7. תבנית לחיתוך בלייזר של סרט הפוליאסטר ניתן למצוא כקובץ SVG (קובץ משלים 7).</li>
	<li>ודא שהשסתום ממדחס האוויר לצינור הנהג סגור. מלא מראש את מדחס האוויר כדי לאפשר מילוי מהיר יותר של צינור הנהג כאשר התותח מוכן לירי.</li>
	<li>הכניסו כדור פינג פונג ליציאת התותח. נושפים קלות לתוך קצה התותח עד שהכדור נעצר על ידי הוואקום המתאים ליד פתח הצינור המניע.</li>
	<li>הצמידו 3 אינץ' x 3 בריבוע נייר דבק לקצה היוצא של התותח. אטמו את הסרט כך שיידבק לפני השטח של האוגן. הערה: אם יש קמטים או בועות גדולות, יש להשליך את הקלטת. אם הקלטת אינה נצמדת מספיק לפני השטח, הוואקום יכול ללכת לאיבוד, והתותח יכול לירות בטרם עת. אם מתעוררות דליפות ואקום או סיבוכים אחרים, השתמש בשסתום שחרור הלחץ בצינור הנהג ובשסתום המחט במשאבת הוואקום כדי להביא את המערכת לשיווי משקל.</li>
	<li>הכנס דיאפרגמת פוליאסטר דקה חתוכה מראש בין שני אטמי גומי. הניחו את הסרעפת ואטמי הגומי בין הנהג לחלקים המניעים של התותח. חבר היטב את שני החלקים באמצעות 4 מלחציים פקה.</li>
	<li>ודא שקרן הלייזר ממורכזת בקצה הסכין, שההדק מוגדר כראוי ומיכל התפיסה מאובטח.</li>
	<li>הפעל את משאבת הוואקום כדי לפנות את הצינור ללחץ מוחלט מופחת של פחות מ -2 טור. שחרר את הלחץ ממדחס האוויר לתוך צינור הנהג. אפשרו ללחץ לעלות עד שהסרעפת תתפוצץ והאוויר הדחוס בתוך צינור הנהג ימלא במהירות את הצינור המונע המפונה.</li>
	<li>לאחר ירי התותח, כבו את מדחס האוויר ואת משאבת הוואקום. הסר את הסרעפת וסרט הפוליאסטר שהתפוצצו מהתותח.</li>
</ol>

<ol><li>Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ping-pong+cannon%3A+A+closer+look%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">The ping-pong cannon: A closer look.</a> The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).</li>
<li>Olson, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+shock+waves+in+expansion+tube+accelerators%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">The role of shock waves in expansion tube accelerators.</a> American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).</li>
<li>Cockman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+vacuum+bazooka%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">Improved vacuum bazooka.</a> The Physics Teacher. 41 (4), 246-247 (2003).</li>
<li>Ayars, E., Buchholtz, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+the+vacuum+cannon%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Analysis of the vacuum cannon.</a> American Journal of Physics. 72 (7), 961-963 (2004).</li>
<li>Thuecks, D. J., Demas, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+effect+of+air-intake+aperture+size+in+the+ping-pong+ball+cannon%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Modeling the effect of air-intake aperture size in the ping-pong ball cannon.</a> American Journal of Physics. 87 (2), 136-140 (2019).</li>
<li>Liepmann, H. W., Roshko, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLiepmann%2C+HW+%22Elements+of+gas+dynamics%22">Elements of gas dynamics</a>. , Wiley. New York, NY. (1957).</li>
<li>Settles, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSettles%2C+S+%22Schlieren+and+shadowgraph+techniques%22">Schlieren and shadowgraph techniques</a>. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin, Germany. (2001).</li>
<li>Geisert, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+single+mirror+schlieren+optical+system%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">A single mirror schlieren optical system.</a> American Journal of Physics. 52 (5), 467(1984).</li>
<li>French, R. M., Gorrepati, V., Alcorta, E., Jackson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanics+of+a+ping-pong+ball+gun%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Techniques%22%5BJournal%5D)">The mechanics of a ping-pong ball gun.</a> Experimental Techniques. 32 (1), 24-30 (2008).</li>
<li>French, M., Zehrung, C., Stratton, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+supersonic+ping-pong+gun%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">A supersonic ping-pong gun.</a> arXiv. , (2013).</li>
<li>French, F., Choudhuri, R., Stratton, J., Zehrung, C., Huston, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+modular+supersonic+ping-pong+gun%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">A modular supersonic ping-pong gun.</a> arXiv. , (2018).</li>
<li>Fredrick, C. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complementary+studies+on+supersonic+nozzle+flow%3A+heterodyne+interferometry%2C+high-speed+video+shadowgraphy%2C+and+numerical+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22WIT+Transactions+on+Modelling+and+Simulation%22%5BJournal%5D)">Complementary studies on supersonic nozzle flow: heterodyne interferometry, high-speed video shadowgraphy, and numerical simulation.</a> WIT Transactions on Modelling and Simulation. 59, 223-234 (2015).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

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 ', ...

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.

<table><tbody><tr><td>ספק כוח מוגבל זרם 15 וולט</td><td>פוקוס חדש</td><td>0901</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>2 אינץ' x 6 אינץ' קרש</td><td>הום דיפו</td><td>BTR KD-HT S</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>5.0 אינץ' 40 פינים 800 x 480 TFT תצוגה</td><td>Adafruit</td><td>1680</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>מד לחץ מוחלט</td><td>מקמאסטר-קאר</td><td>1791T3</td><td>0&ndash; טור 20 | כמות: 1</td></tr><tr><td>כבל פורטר</td><td>מדחס אוויר</td><td>C2002</td><td>6 ליטר | כמות: 1</td></tr><tr><td>Arduino UNO Rev3</td><td>Arduino</td><td>A000066</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>ASME-Code שסתום שחרור לחץ מהיר פעולה עבור Air</td><td>McMaster-Carr</td><td>5784T13</td><td>מצופה ניקל, 3/8 NPT, 125 PSI לחץ סט | כמות: 1</td></tr><tr><td>סרט חשמלי שחור</td><td>McMaster-Carr</td><td>76455A21</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>כבל BNC</td><td>Digikey מספר</td><td>115-095-850-277M050-ND</td><td>כמות: 2</td></tr><tr><td>מראה דיאלקטרית בפס רחב</td><td>THORLABS</td><td>BB05-E02</td><td>400&ndash; 750 ננומטר, ואוסלאש; 1/2 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>C-Clamp</td><td>McMaster-Carr</td><td>5133A15</td><td>3 אינץ' פתיחה, 2 אינץ' הגעה | כמות: 6</td></tr><tr><td>מהדק פקה</td><td>רוקלר</td><td>58252</td><td>גודל: 5/16 אינץ'-18 | כמות: 2 (2 חבילות)</td></tr> <tr><td>מד לחץ דיגיטלי</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>DPG104S</td><td>0&ndash; לחץ מוחלט של 100 psi, עם פלט ואזעקות | כמות: 1</td></tr><tr><td>מד לחץ דיגיטלי</td><td>אומגה הנדסה, בע"</td>מ<td>DPG104S</td><td>0&ndash; לחץ מוחלט של 100 psi, עם פלט ואזעקות | כמות: 1</td></tr><tr><td>תפס ציור</td><td>McMaster-Carr</td><td>1889A37</td><td>גודל: 3 3/4 אינץ' x 7/8 אינץ' | כמות: 4</td></tr><tr><td>לוח נהג לצגי מגע TFT 40 פינים</td><td>Adafruit</td><td>1590</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>אביזרי PVC אטם EPDM</td><td>מלאים באינטרנט</td><td>155G125125FF150</td><td>כמות: 2</td></tr><tr><td>חומר אטם</td><td>McMaster-Carr</td><td>9470K41</td><td>15 אינץ' x 15 אינץ', עובי 1/8 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>Glowforge Plus</td><td>Glowforge</td><td>Glowforge Plus</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>HeNe לייזר</td><td>חד פאזי</td><td>1108</td><td>מחלקה 2 | כמות: 1</td></tr><tr><td>סרט איטום קופסא גבוה</td><td>סקוטש</td><td>53344</td><td>72 מ"מ רוחב&nbsp;</td></tr><tr><td>ספק כוח לייזר</td><td>חד פאזי</td><td>1201-1</td><td>115 V .12 A | כמות: 1</td></tr><tr><td>משוון LM311</td><td>Digikey Electronics</td><td>296-1389-5-ND</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>תושבת מראה</td><td>THORLABS</td><td>FMP05</td><td>קבועה ו-Oslash; 1/2 אינץ', 8&ndash; 32 הקש | כמות: 1</td></tr><tr><td>סרט פוליאסטר עמיד בפני לחות</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K102</td><td>10 'x 0.0005 אינץ' x 27 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>סרט פוליאסטר עמיד בפני לחות</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K12</td><td>10 'x 0.001 אינץ' x 40 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>סרט פוליאסטר עמיד בפני לחות</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K22</td><td>10' x 0.002 אינץ' x 40 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>ציר מורטיס עם חורים</td><td>McMaster-Carr</td><td>1598A52</td><td>גודל: 1 אינץ' x 1/2 אינץ' | כמות: 4</td></tr><tr><td>שסתום מחט</td><td>Robbins Aviation Inc</td><td>INSG103-1P</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>מפצלי קורות קוביות לא מקטבות</td><td>THORLABS</td><td>BS037</td><td>גודל: 10 מ"מ | כמות: 2</td></tr><tr><td>PVC לא מתכתי לוח זמנים 40</td><td>Cantex</td><td>A52BE12</td><td>כמות: 2.5 m&nbsp;</td></tr><tr><td>אביזרי PVC</td> <td>צמנט ופריימר של Oatey</td> באינטרנט <td>30246</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>אטם Buna-N דחוס עמיד בשמן עם חורים ודבק</td><td>McMaster-Carr</td><td>8516T454</td><td>1-1/2 גודל צינור, ANSI 150, עובי 1/16 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>Oscilliscope</td><td>Tektronix</td><td>TBS2102</td><td>כמות: 1</td></tr><tr><td>מקלט פוטו</td><td>פוקוס חדש</td><td>1801</td><td>125 מגה-הרץ | כמות: 2</td></tr><tr><td>כדורי פינג פונג</td><td>MAPOL</td><td>FBA_MP-001</td><td></td></tr><tr><td>תושבת פלטפורמה שלושה כוכבים עבור מפצל קרן 10 מ"מ ומנסרות בזווית ישרה</td><td>THORLABS</td><td>BSH10</td><td>4-40 ברז | כמות: 1</td></tr><tr><td>בהירות גבוהה בהירות גבוהה אקריליק שקוף</td><td>Glowforge</td><td>NA</td><td>עובי: 1/8 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC כובע</td><td>PVC אביזרי PVC מקוונים</td><td>847-040</td><td>גודל: 4 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 אביזרי</td><td>PVC צינור PVC באינטרנט</td><td>8008-040AB-5</td><td>כמות: 5 רגל</td></tr><tr><td>Sch 80 צימוד מפחית PVC</td><td>אביזרי PVC באינטרנט</td><td>829-419</td><td>גודל: 4 אינץ' x 1-1/2 אינץ' | כמות: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC אוגן החלקה</td><td>אביזרי PVC מקוונים</td><td>851-015</td><td>גודל: 1 1/2 אינץ' | כמות: 3</td></tr><tr><td>איטום סיליקון Dow Corning</td><td>McMaster-Carr</td><td>7587A2</td><td>3 oz. צינור, שקוף | כמות: 1</td></tr><tr><td>סוגר פינתי מפלדה</td><td>McMaster-Carr</td><td>1556A42</td><td>גודל: 1 1/2 אינץ' x 1 1/2 אינץ' x 1/2 אינץ' | כמות: 16</td></tr><tr><td>משאבת ואקום</td><td>Mastercool</td><td>&nbsp; MSC-90059-MD</td><td>שלב אחד, 1.5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ</td></tr></tbody></table>

אבחון אופטי במהירות גבוהה של תותח פינג-פונג על-קולי

High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon

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.

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...

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.

The traditional ping-pong cannon (PPC) is an educational apparatus that launches a ping-pong ball down an evacuated pipe to nearly sonic speeds using ...

אנו מספקים הוראות לבנייה והפעלה של תותח פינג פונג על-קולי יחד עם טכניקות אבחון אופטיות למדידת מהירויות כדור וגילוי גלי הלם. מערך קצה הסכין האופטי רגיש מאוד לסטיות קטנות של קרן לייזר ומספק אמצעי לגילוי גלי הלם הקשורים לתותח. כדי להתחיל, הפעל את מקלטי הצילום ואת מודול הלייזר על ידי חיבורם לספק כוח מוגבל זרם של 15 וולט וספק כוח לייזר.לאחר מכן, חבר את מקלטי התמונות לשני ערוצי האוסילוסקופ באמצעות כבלי BNC. להגדרת אבחון אופטי, מקם את הלייזר בניצב לתותח המפוברק כאשר הקרן הראשונה עוברת דרך חלונות האקריליק בתוך הצינור, והשנייה ממש מחוץ ליציאת התותח. הניחו סרט חשמלי שחור על מחצית מחיישן מקלט הצילום, וצרו מערך זיהוי זעזועים בקצה הסכין.כדי למנוע גזירה, התאימו את מיקום הקרן על קצה הסכין כך שמתח קו הבסיס יהיה בערך 50% מהמקסימום. לאחר מכן, התאם את ההגדרות באוסילוסקופ כדי לאסוף 20 מיליון נקודות נתונים. השתמש בידית קנה המידה האופקי כדי להגדיר את קצב איסוף הנתונים ל- 500 מגה-הרץ.סובב את ידית ההדק כדי לנוע במתח נמוך מעט מקו הבסיס שנקבע שנרכש ממקלט התמונות. לפני ירי PPC, ללבוש הגנה על האוזן והעיניים. מכניסים כדור פינג פונג ליציאת התותח ונושפים קלות לקצה התותח עד שהוא פוגע בוואקום הסמוך לפתח הצינור.אטמו את אוגן היציאה של התותח ואת מכסה האקריליק באמצעות שתי חתיכות של סרט מרובע. ודא שקרן הלייזר ממורכזת ב

high-speed-optical-diagnostics-of-a-supersonic-ping-pong-cannon

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

שיטת הניסוי לבחון את האבולוציה פלזמה מוקדם הנגרם על ידי לייזר UltraShort פולסים מתואר. באמצעות שיטה זו, תמונות באיכות גבוהה של פלזמה מוקדם מתקבלים עם החלטות של זמן ומרחב גבוהה. מודל הרומן atomistic משולב משמש כדי לדמות ולהסביר את מנגנוני פלזמה מוקדם.

חקירת Evolution פלזמה מוקדם בהשפעת לייזר UltraShort קטניות

הליך ללימוד תזרים חולף ליד הגבולות באמצעות velocimetry ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה חלקיק תמונה (PIV) מתואר כאן. PIV הוא טכניקת מדידה לא פולשנית ישימה לכל זרימה אופטית נגישה על ידי אופטימיזציה של כמה אילוצי פרמטרים כגון מאפייני התמונה והקלטה, את מאפייני גיליון לייזר, וניתוח אלגוריתמים.

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

שבר ופיצול הם תופעות בשלב מאוחר בתרחישי טעינה דינמיים ונחקרים בדרך כלל באמצעות חומרי נפץ. אנו מציגים טכניקה להנעת התפשטות באמצעות אקדח גז המאפשר באופן ייחודי שליטה הן על קצב הטעינה והן על טמפרטורת הדגימה.

שיטת לימוד התלות בטמפרטורה של דינמי שבר ופיצול

מתוארים שני מכשירים ניסיוניים לבחינת פגיעה בסילון נוזלי על משטח נע במהירות גבוהה: מכשיר תותח אוויר והתקן דיסק מסתובב. המכשירים משמשים לקביעת גישות אופטימליות ליישום משנה חיכוך נוזלי (LFM) על פסי רכבת לבקרת חיכוך על גבי המסילה.

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

בדיקות פיתוח של חומרי נפץ גבוהים ליישומים צבאיים כוללות ניסוח בקנה מידה קטן, בדיקות בטיחות ולבסוף בדיקות ביצועי פיצוץ כדי לאמת חישובים תיאורטיים. מאמר זה ישתף מבחני פיתוח אופייניים הקשורים למדידת מהירות הפיצוץ ולחץ הפיצוץ.

מחקר ופיתוח של חומרי נפץ ביצועים גבוהים

כאן אנו מציגים פרוטוקול לבנות ספקטרומטר רילואן מהיר. מדורג מערך שלב כמעט צילם etalons (VIPA) להשיג מהירות מדידה יותר מ -1,000 פעמים מהר יותר מאשר ספקטרומטרים פברי פרו- סריקה מסורתית. שיפור זה מספק את האמצעים לניתוח רילואן של רקמה וביו-חומרים בכוח הרמות נמוכות in vivo.

ספקטרומטר תת-GHz מהירות גבוהה לניתוח פיזור רילואן

אנו מציגים פרוטוקול ליצירת סרט בזמן אמת של חבילת גל סיבוב מולקולרי באמצעות מערך הדמיית פיצוץ קולומב ברזולוציה גבוהה.

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

אנו מתארים את בניית ספקטרומטר (CW-SBS) מהירה continuous-wave-גירוי-ברילואן-פיזור. ספקטרומטר מעסיקה בתדר יחיד דיודות-לייזר, אדי אטומי חריץ-מסנן כדי לרכוש שידור ספקטרום של דגימות עכורים/הלא-עכורים עם רזולוציה גבוהה ספקטרלי-מהירויות של עד 100-fold מהר יותר מאשר אלה של ספקטרומטרים CW-SBS הקיים. שיפור זה מאפשר ניתוח גשמי ברילואן במהירות גבוהה.<br...

ספקטרומטר פיזור מהיר ברילואן מגורה מכ לניתוח גשמי

פרוטוקול זה מתאר את השלבים המפתח ביצוע וניתוח ניסויים משאבת-בדיקה המשלב לייזר הפמטו-שנייה אופטי עם לייזר אלקטרונים חופשיים ללימוד התגובות פוטו אטמוספרי מרביים של מולקולות גז-פאזי.

טיפול נסיוני עבור הפמטו-שנייה ניר/UV - XUV ניסויים משאבת-בדיקה עם לייזר אלקטרונים חופשיים

בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

ייצור של התמרה במצב עובי פיזואלקטריים באמצעות התזה הנוכחי ישיר של אלקטרודות צלחת על ליתיום niobate מתואר. בנוסף, הפעולה המהימנה מושגת עם בעל מתמר ומערכת אספקת נוזלים ואפיון מומחש באמצעות ניתוח עכבה, דופלר לייזר וויברמטריה, הדמיה במהירות גבוהה, ו-droplet גודל התפלגות באמצעות פיזור לייזר.

ייצור ואפיון של מכשירי פיזואלקטריים במצב עובי לאטוביזציה

למדו כיצד לבנות תותח פינג-פונג על-קולי ולהשתמש באבחון אופטי למדידת מהירויות הכדור ואיתור גלי הלם. השיטה מדגימה שימוש בלייזר וקולטי אור לזיהוי רגיש של תופעות על-קוליות בפיזיקה.

אבחון אופטי במהירות גבוהה של תותח פינג-פונג על-קולי

גלה סרטונים נוספים