超音速ピンポン砲(SSPPC)の構築方法と、ボール速度の測定と大砲の発射中に伝播する衝撃波の特性評価のための光学診断技術について説明します。
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この記事について
サマリー
要約
従来のピンポン大砲(PPC)は、大気圧のみを使用して、排気されたパイプからほぼ音速までピンポンボールを発射する教育装置です。PPCの拡張バージョンであるSSPPCは、大気圧よりも高い圧力でボールを加速することにより、超音速を実現します。最適化されたPPCとSSPPCの構築と利用に関する指示を提供します。
光学診断は、大砲のダイナミクスを調査する目的で実装されます。パイプの出口近くの2つのアクリル窓から送られるHeNeレーザーは、受光センサーで終端されます。マイクロプロセッサは、ビームがピンポン球によって遮られる時間を測定し、ボールの速度を自動的に計算します。結果はすぐにLCDディスプレイに表示されます。
光学ナイフエッジセットアップは、センサーでHeNeビームの一部を遮断することにより、衝撃波を検出する高感度の手段を提供します。衝撃波はビームの屈折誘発偏向を引き起こし、それは受光器からの電気信号の小さな電圧スパイクとして観察される。
提示された方法は再現性が高く、実験室環境でのさらなる調査の機会を提供します。
概要
PPCは、人々が絶えずさらされる巨大な空気圧を示すために使用される人気のある物理学のデモンストレーションです1,2,3,4,5。デモンストレーションでは、内径がボールの直径とほぼ等しいパイプのセクションにピンポンボールを配置します。パイプは両端をテープで密閉し、内圧2Torr未満まで排気します。パイプの一方の端にあるテープに穴が開いており、空気が大砲に入り、ボールに約5,000gのピーク加速度が発生します。大気圧だけで加速されたボールは、2m移動後、約300m/sの速度で大砲を出る。
PPCは一般的に大気圧の単純なデモンストレーションとして運用されていますが、複雑な圧縮性流れ物理学を示す装置でもあり、多くのオープンエンドの学生プロジェクトをもたらしました。ボールのダイナミクスは、壁の摩擦、ボールの周りの空気の漏れ、加速するボールによる衝撃波の形成などの二次的な要因の影響を受けます。ボールの大幅な加速により、ボールの前のチューブを下る大振幅の圧縮波が導入されます。これらの圧縮は局所的な音速よりも速く伝わり、圧縮波が急勾配になり、最終的には衝撃波
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プロトコル
1.卓球砲(PPC)の構築と組み立て
- 図1に従ってPPCのすべてのコンポーネントを組み立てます。
- 大砲の側面に2つの透明度の高いアクリル窓を挿入して、大砲の内部を光学的にプローブできるようにします。
- 大砲の出口近くのPVCの反対側に2つの1/2穴を開けます。
- レーザー彫刻機を使用して、厚いアクリル窓に2つの1/8を準備します。3 つの補足 svg ファイルをダウンロードします。
注 : "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg" というラベルの付いたファイルが 3 つあります。
(補足ファイル1)「JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg」
(補足ファイル2)、および「JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg」
(補足ファイル3)。これらの3つのファイルは、タイトルで説明されているプロセス(彫刻/カット)を使用して提供された順序で使用する必要があります。レーザーの速度と出力の設定は、製造元が推奨するアクリルの設定に従って設定する必要があります。各彫刻ステップでは、材料の厚さの約1/3を除去する必要があります。 - アクリルの端に....
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結果
ここでは、PPCとSSPPCの構築と利用、および衝撃特性評価と速度測定のための光学診断の実装について説明します。代表的な実験結果も提供します。PPCとSSPPCの完成したシステムと、必要なアクセサリを 図1 と 図2に示します。SSPPCはPPCの拡張バージョンであり、パイプの駆動加圧セクションがPPCの駆動パイプに接続されています。衝撃波のナイフエッジ検出とピンポン球の速度測定のための光学診断セットアップを 図3に示します。衝撃特性評価と速度測定のための光学診断の有効性を示すサンプルオシロスコープトレースを、ボールの動きとオシロスコープトレースに対応する反射衝撃波を示す概念スケッチとともに 図4に示します。マイクロプロセッサが受信する生信号と処理済み信号、およびLCD表示速度計算の図を 図5に示します。SSPPCの正常な点火からの代表的なデ.......
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ディスカッション
我々は、ボール速度の測定と大砲の出口付近の衝撃伝播の特性評価のための光学診断とともに、PPCとSSPPCを構築するための方法を提示しました。標準PPCは、スケジュール2の1.5PVCパイプの80mセクションで構成されています。パイプには、両端にフランジ、クイックコネクト真空継手、レーザー診断用の出口近くのアクリル窓が取り付けられています。PPCの詳細な回路図を 図1に示します。発射する前に、ピンポン球が大砲に挿入され、端が密封されます。出口端は、フランジに直接テープを固定することによってシールされます。パイプのもう一方の端では、テープが1.5インチの切り欠きのあるアクリルキャップの上に固定され、パイプはゴム製ガスケット付きのアクリルキャップを使用してシールされます。PPCはしっかりと固定されており、ピンポン球を安全にキャッチできるように頑丈な容器が配置されています。大砲は、パイプを2 Torr未満の減圧絶対圧まで排気し、鋭利なもので大砲に穴を開けることによって発射されます。SSPPCは、PPCの拡張構造であり、標準のPPCにスケジュール4の80PVCパイプの加圧セクションを確保.......
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開示事項
著者は開示するものは何もありません。
謝辞
この作業は、IUSE:EHRプログラムの一環として、NSF学部教育部門(賞#2021157)によってサポートされています。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 15 V 電流制限電源 | New Focus | 0901 | 数量: 1 |
| 2" x 6" Plank | Home Depot | BTR KD-HT S | 数量: 1 |
| 5.0" 40 ピン 800 x 480 TFT ディスプレイ | Adafruit | 1680 | 数量: 1 |
| 絶対圧力計 | McMaster-Carr | 1791T3 | 0–20トール |数量:1 |
| エアコンプレッサー | ポーターケーブル | C2002 | 6ガロン|数量: 1 |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | 数量: 1 |
| ASME コード 速効型圧力リリーフ バルブ エア用 | McMaster-Carr | 5784T13 | ニッケルメッキ、3/8 NPT、125 PSI 設定圧力 |数量:1 |
| ブラック電気テープ | McMaster-Carr | 76455A21 | 数量:1 |
| BNCケーブル | Digikey番号 | 115-095-850-277M050-ND | 数量:2 |
| 広帯域誘電体 | ミラーTHORLABS | BB05-E02 | 400–750 nm、Ø1/2インチ |数量:1 |
| Cクランプ | McMaster-Carr | 5133A15 | 3インチ開口部、2インチリーチ|数量:6 |
| カムクランプ | ロッカー58252 | サイズ:5/16 "-18 |数量:2個(2パック) | |
| デジタル圧力計 | オメガエンジニアリング(株) | DPG104S | 0–100 psi 絶対圧、出力およびアラーム付き |数量:デジタル |
| 圧力計 | オメガエンジニアリング株式会社 | DPG104S | 0–100 psi 絶対圧、出力およびアラーム付き |数量:1 |
| ドローラッチ | McMaster-Carr | 1889A37 | サイズ:3 3/4 "x 7/8" |数量: 40 |
| ピンTFTタッチディスプレイ用ドライバーボード | Adafruit | 1590 | 数量: 1 |
| フェイスEPDMガスケット | PVC継手オンライン | 155G125125FF150 | 数量: 2 |
| ガスケット材料 | McMaster-Carr | 9470K41 | 15 "x 15"、1/8 "厚さ|数量:1 |
| Glowforge Plus | Glowforge | Glowforge Plus | 数量:1 |
| HeNeレーザー | 単相 | 1108 | クラス2 |数量: |
| 1ハイタックボックスシーリングテープ | スコッチ | 53344 | 72 mm幅 |
| レーザー電源 | 単相 | 1201-1 | 115 V .12 A |数量:1 |
| LM311 コンパレータ | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | 数量:1 |
| ミラーマウント | THORLABS | FMP05 | 固定 & オスラッシュ;1/2インチ、8–32タップ |数量: 1 |
| 耐湿性ポリエステル フィルム | McMaster-Carr | 8567K102 | 10' x 0.0005" x 27" |数量: 1 |
| 耐湿性ポリエステル フィルム | McMaster-Carr | 8567K12 | 10' x 0.001" x 40" |数量: 1 |
| 耐湿性ポリエステル フィルム | McMaster-Carr | 8567K22 | 10' x 0.002" x 40" |数量: |
| 穴付きMourtise-Mount Hinge | 1598A52 | :1 "x 1/2" |数量:4 | |
| ニードルバルブ | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | 数量:1 |
| 非偏光キューブ ビームスプリッター | THORLABS | BS037 | サイズ:10 mm |数量:2 |
| 非金属PVCスケジュール40 | カンテックス | A52BE12 | 数量:2.5 m |
| Oatey PVC セメントとプライマー | PVC フィッティング オンライン | 30246 | 数量: |
| 1 穴と接着剤付き耐油圧縮性 Buna-N ガスケット | McMaster-Carr | 8516T454 | 1-1/2 パイプ サイズ、ANSI 150、厚さ 1/16" |数量:1 |
| シリスコープ | Tektronix | TBS2102 | 数量:1 |
| レシーバーNew | Focus | 1801 | 125-MHz |数量: ピン |
| ポン玉 | 2個 MAPOL | FBA_MP-001 | |
| 10mm ビームスプリッター用三つ星プラットフォームマウント | THORLABS | BSH10 | 4-40 タップ |数量: 1 |
| プルーフグレード ハイクラリティ クリア アクリル | グローフォージ | NA | 厚さ: 1/8" |数量:1 |
| Sch 80 PVCキャップ | PVC継手オンライン | 847-040 | サイズ:4 "|数量:1 |
| Sch 80 PVCパイプ | PVC継手オンライン | 8008-040AB-5 | 数量:5フィート |
| Sch 80 PVCレデューサーカップリング | PVC継手オンライン | 829-419 | サイズ:4 "x 1-1 / 2" |数量:1 |
| Sch 80 PVCスリップフランジ | PVC継手オンライン | 851-015 | サイズ:1 1/2 "|数量:3 |
| シリコーンシーラントダウコーニング | McMaster-Carr | 7587A2 | 3オンスチューブ、クリア|数量:1 |
| スチールコーナーブラケット | McMaster-Carr | 1556A42 | サイズ:1 1/2 "x 1 1/2" x 1/2 "|数量:16 |
| 真空ポンプ | マスタークール | MSC-90059-MD | 1ステージ、1.5 CFM、1 / 6HP、115V / 60HZ |
参考文献
- 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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