Descriviamo un metodo per la costruzione di un cannone da ping-pong supersonico (SSPPC) insieme a tecniche diagnostiche ottiche per la misurazione delle velocità della palla e la caratterizzazione della propagazione delle onde d'urto durante lo sparo del cannone.
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Articolo metodologico
Diagnostica ottica ad alta velocità di un cannone da ping-pong supersonico
* These authors contributed equally
In questo articolo
Sommario
Abstract
Il tradizionale cannone da ping-pong (PPC) è un apparato educativo che lancia una pallina da ping-pong lungo un tubo evacuato a velocità quasi soniche usando solo la pressione atmosferica. L'SSPPC, una versione aumentata del PPC, raggiunge velocità supersoniche accelerando la palla con una pressione superiore a quella atmosferica. Forniamo istruzioni per la costruzione e l'utilizzo di un PPC e SSPPC ottimizzato.
La diagnostica ottica è implementata allo scopo di indagare la dinamica dei cannoni. Un laser HeNe che viene inviato attraverso due finestre acriliche vicino all'uscita del tubo viene terminato su un sensore fotoricevitore. Un microprocessore misura il tempo in cui il raggio è ostruito dalla pallina da ping-pong per calcolare automaticamente la velocità della palla. I risultati vengono immediatamente presentati su un display LCD.
Una configurazione ottica a lama di coltello fornisce un mezzo altamente sensibile per rilevare le onde d'urto tagliando una frazione del fascio HeNe sul sensore. Le onde d'urto causano deflessioni indotte dalla rifrazione del fascio, che si osservano come piccoli picchi di tensione nel segnale elettrico dal fotoricevitore.
I metodi presentati sono altamente riproducibili e offrono l'opportunità di ulteriori indagini in un ambiente di laboratorio.
Introduzione
Il PPC è una dimostrazione di fisica popolare utilizzata per mostrare l'immensa pressione dell'aria a cui le persone sono continuamente esposte 1,2,3,4,5. La dimostrazione prevede il posizionamento di una pallina da ping-pong in una sezione di tubo che ha un diametro interno approssimativamente uguale al diametro della palla. Il tubo viene sigillato su ciascuna estremità con nastro adesivo ed evacuato ad una pressione interna inferiore a 2 Torr. Il nastro su un'estremità del tubo viene perforato, il che con....
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Protocollo
1. Costruzione e montaggio del cannone da ping-pong (PPC)
- Assemblare tutti i componenti del PPC secondo la Figura 1.
- Inserire due finestre acriliche ad alta trasparenza nei lati del cannone per consentire il rilevamento ottico attraverso l'interno del cannone.
- Praticare due fori da 1/2 attraverso i lati opposti del PVC vicino all'uscita del cannone.
- Preparare due finestre acriliche spesse da 1/8 usando un incisore laser. Scarica i tre file svg supplementari.
NOTA: ci sono tre file etichettati "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(scheda supplementare 1), "JoV....
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Risultati
Qui, forniamo istruzioni per la costruzione e l'utilizzo di un PPC e di un SSPPC, insieme all'implementazione della diagnostica ottica per la caratterizzazione degli urti e le misurazioni della velocità. Vengono inoltre forniti risultati sperimentali rappresentativi. I sistemi completati del PPC e dell'SSPPC, insieme agli accessori necessari, sono illustrati nelle figure 1 e 2. L'SSPPC è una versione aumentata del PPC, in cui una sezione di guida e pressurizzata.......
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Discussione
Abbiamo presentato un metodo per la costruzione di un PPC e di un SSPPC insieme alla diagnostica ottica per la misura delle velocità delle palle e per la caratterizzazione della propagazione degli urti in prossimità dell'uscita del cannone. Il PPC standard è costruito con una sezione di 2 m di 1,5 in tubo in PVC schedule 80. Il tubo è dotato di flange a ciascuna estremità, raccordi a vuoto a connessione rapida e finestre acriliche vicino all'uscita per la diagnostica laser. Uno schema dettagliato del PPC è mostrato nella.......
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Questo lavoro è supportato dalla NSF Division of Undergraduate Education (premio # 2021157) come parte del programma IUSE: EHR
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Alimentazione limitata a corrente 15 V | New Focus | 0901 | Quantità: 1 |
| 2" x 6" Plank | Home Depot | BTR KD-HT S | Quantità: 1 |
| Display TFT da 5,0" a 40 pin 800 x 480 | Adafruit | 1680 | Quantità: 1 |
| Manometro assoluto | McMaster-Carr | 1791T3 | 0– 20 Torr | Quantità: 1 |
| Compressore d'aria | Porter Cable | C2002 | 6 galloni | Quantità: 1 |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | Quantità: 1 |
| Valvola limitatrice di pressione ad azione rapida ASME-Code per aria | McMaster-Carr | 5784T13 | nichelata, 3/8 NPT, 125 PSI Pressione impostata | Quantità: 1 |
| Nastro Isolante Nero | McMaster-Carr | 76455A21 | Quantità: 1 |
| Cavo BNC | Digikey Numero | 115-095-850-277M050-ND | Quantità: 2 |
| Specchio Dielettrico a Banda Larga | THORLABS | BB05-E02 | 400– 750 nm, Ø 1/2" | Quantità: 1 |
| morsetto a C | McMaster-Carr | 5133A15 | 3" apertura, 2" raggio dazione | Quantità: 6 |
| Morsetto a camme | Rockler | 58252 | Dimensioni: 5/16"-18 | Quantità: 2 (confezione da 2) |
| Manometro digitale | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0– Pressione assoluta 100 psi, con uscita e allarmi | Quantità: 1 |
| Manometro digitale | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0– Pressione assoluta 100 psi, con uscita e allarmi | Quantità: 1 |
| Chiusura a scatto | McMaster-Carr | 1889A37 | Dimensioni: 3 3/4" x 7/8" | Quantità: 4 |
| schede driver per display touch TFT a 40 pin | Adafruit | 1590 | Quantità: 1 |
| EPDM a faccia intera | raccordi in PVC online | 155G125125FF150 | Quantità: 2 |
| Materiale guarnizione | McMaster-Carr | 9470K41 | 15 "x 15", 1/8" di spessore | Quantità: 1 |
| Glowforge Plus | Glowforge | Glowforge Plus | Quantità: 1 |
| Laser HeNe | Uniphase | 1108 | Classe 2 | Quantità: 1 |
| Nastro sigillante per scatole ad alta adesività | Scotch | 53344 | 72 mm di larghezza |
| Alimentatore laser | Uniphase | 1201-1 | 115 V .12 A | Quantità: 1 |
| LM311 Comparatore | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | Quantità: 1 |
| Montaggio a specchio | THORLABS | FMP05 | Fisso & Oslash; 1/2", 8– 32 Tocca | Quantità: 1 |
| pellicola in poliestere resistente all'umidità | McMaster-Carr | 8567K102 | 10' x 0.0005" x 27" | Quantità: 1 |
| pellicola di poliestere resistente all'umidità | McMaster-Carr | 8567K12 | 10' x 0,001" x 40" | Quantità: 1 |
| pellicola di poliestere resistente all'umidità | McMaster-Carr | 8567K22 | 10' x 0,002" x 40" | Quantità: 1 |
| Cerniera per montaggio a mourtise con fori | McMaster-Carr | 1598A52 | Dimensioni: 1" x 1/2" | Quantità: 4 |
| valvole a spillo | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | Quantità: 1 |
| Beamsplitter a cubo non polarizzante | THORLABS | BS037 | Dimensioni: 10 mm | Quantità: 2 |
| PVC non metallico Schedule 40 | Cantex | A52BE12 | Quantità: 2,5 m |
| Oatey PVC Cemento e Primer | PVC Raccordi Online | 30246 | Quantità: 1 |
| Guarnizione Buna-N comprimibile resistente all'olio con fori e adesivo | McMaster-Carr | 8516T454 | 1-1 / 2 Dimensioni tubo, ANSI 150, 1/16" di spessore | Quantità: 1 |
| Oscilliscopio | Tektronix | TBS2102 | Quantità: 1 |
| Fotoricevitore | New Focus | 1801 | 125-MHz | Quantità: 2 |
| palline da ping pong | MAPOL | FBA_MP-001 | |
| Supporto per piattaforma a tre stelle per beamsplitter da 10 mm e prismi ad angolo retto | THORLABS | BSH10 | 4-40 Tap | Quantità: 1 |
| Glowforge | NA | acrilico trasparente ad alta chiarezza di prova | Spessore: 1/8" | Quantità: 1 |
| Sch 80 Tappo in PVC | Raccordi in PVC Online | 847-040 | Dimensione: 4" | Quantità: 1 |
| Sch 80 Tubo in PVC | Raccordi in PVC Online | 8008-040AB-5 | Quantità: 5 ft |
| Sch 80 PVC Riduttore Accoppiamento Raccordi | in PVC Online | 829-419 | Dimensioni: 4 "x 1-1 / 2" | Quantità: 1 |
| Sch 80 PVC Slip Flange | PVC Raccordi in PVC Online | 851-015 | Dimensioni: 1 1/2 "| Quantità: 3 |
| Sigillante siliconico Dow Corning | McMaster-Carr | 7587A2 | 3 oz. Tubo, trasparente | Quantità: 1 |
| staffa angolare in acciaio | McMaster-Carr | 1556A42 | Dimensioni: 1 1/2" x 1 1/2" x 1/2" | Quantità: 16 |
| Pompa per vuoto | Mastercool | MSC-90059-MD | 1 stadio, 1,5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ |
Riferimenti
- Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. The ping-pong cannon: A closer look. The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).
- Olson, G., et al. The role of shock waves in expansion tube accelerators. American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).
- ....
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Ristampe e permessi
