High-speed optische diagnostiek van een supersonisch pingpongkanon

Samenvatting

We beschrijven een methode voor de constructie van een supersonisch pingpongkanon (SSPPC) samen met optische diagnostische technieken voor het meten van balsnelheden en de karakterisering van voortplantende schokgolven tijdens het afvuren van het kanon.

Samenvatting

Het traditionele pingpongkanon (PPC) is een educatief apparaat dat een pingpongbal door een geëvacueerde pijp lanceert tot bijna sonische snelheden met alleen atmosferische druk. De SSPPC, een verbeterde versie van de PPC, bereikt supersonische snelheden door de bal te versnellen met meer dan atmosferische druk. Wij geven instructies voor de bouw en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC.

Optische diagnostiek wordt geïmplementeerd met het oog op het onderzoeken van de kanondynamica. Een HeNe-laser die door twee acrylvensters bij de uitgang van de buis wordt gestuurd, wordt afgesloten op een fotoontvangersensor. Een microprocessor meet de tijd dat de bundel wordt belemmerd door de pingpongbal om automatisch de snelheid van de bal te berekenen. De resultaten worden direct gepresenteerd op een LCD display.

Een optische mesrandopstelling biedt een zeer gevoelige manier om schokgolven te detecteren door een fractie van de HeNe-straal bij de sensor af te snijden. Schokgolven veroorzaken brekingsgeïnduceerde afbuigingen van de bundel, die worden waargenomen als kleine spanningspieken in het elektrische signaal van de fotoontvanger.

De gepresenteerde methoden zijn zeer reproduceerbaar en bieden de mogelijkheid voor verder onderzoek in een laboratoriumomgeving.

Inleiding

De PPC is een populaire natuurkundige demonstratie die wordt gebruikt om de immense luchtdruk te laten zien waaraan mensen voortdurend worden blootgesteld 1,2,3,4,5. De demonstratie omvat de plaatsing van een pingpongbal in een stuk pijp met een binnendiameter die ongeveer gelijk is aan de diameter van de bal. De buis wordt aan elk uiteinde afgesloten met tape en geëvacueerd tot een interne druk van minder dan 2 Torr. De tape aan het ene uiteinde van de pijp wordt doorboord, waardoor lucht het kanon kan binnendringen en de bal piekversnellingen van ongeveer 5.000 g ervaart. De kogel, die alleen door atmosferische druk wordt versneld, verlaat het kanon met een snelheid van ongeveer 300 m/s na een reis van 2 m.

Hoewel de PPC vaak wordt gebruikt als een eenvoudige demonstratie van atmosferische druk, is het ook een apparaat dat complexe samendrukbare stromingsfysica vertoont, wat heeft geresulteerd in tal van open studentenprojecten. De dynamiek van de bal wordt beïnvloed door secundaire factoren zoals wandwrijving, het lekken van lucht rond de bal en de vorming van schokgolven door de versnellende bal. De aanzienlijke versnelling van de bal introduceert een compressiegolf met grote amplitude die door de buis voor de bal reist. Deze compressies reizen sneller dan de lokale geluidssnelheid, wat resulteert in een steiler worden van de compressiegolf en de uiteindelijke vorming van een schokgolf⁶. Eerder werk heeft de snelle opbouw van druk bij de uitgang van de buis bestudeerd als gevolg van de reflecties van de schokgolf tussen de bal en de afgeplakte uitgang van de buis en de resulterende loslating van de tape voorafgaand aan de uitgang van de bal². High-speed video met behulp van een single-mirror schlieren imaging techniek heeft de reactie van de tape op de reflecterende schokgolven en de uiteindelijke loslating van de tape bij de uitgang van de PPC ^7,8 onthuld (Video 1). De PPC dient dus zowel als een eenvoudige demonstratie van luchtdruk die het publiek van alle leeftijden intrigeert als als een apparaat met complexe vloeistoffysica, die in detail kan worden bestudeerd in een laboratoriumomgeving.

Bij de standaard PPC worden de pingpongbalsnelheden beperkt door de snelheid van het geluid. Deze basisversie van de PPC wordt behandeld in het bestek van dit artikel, samen met een aangepast kanon dat wordt gebruikt om de bal tot supersonische snelheden te boosten. In eerder werk van French et al. zijn supersonische pingpongbalsnelheden bereikt door gebruik te maken van drukgestuurde stroming door een convergerend divergerend mondstuk 9,10,11. De hier gepresenteerde SSPPC maakt gebruik van een onder druk staande (driver) pijp om een groter drukverschil op de pingpongbal te bieden dan alleen door atmosferische druk wordt geleverd. Een dun polyester membraan wordt gebruikt om de driverpijp te scheiden van de geëvacueerde (aangedreven) pijp die de kogel bevat. Dit diafragma scheurt bij voldoende gagedruk (over het algemeen 5-70 psi, afhankelijk van de dikte van het membraan), waardoor de pingpongbal wordt versneld tot snelheden tot Mach 1,4. De supersonische pingpongbal produceert een staande schokgolf, zoals te zien is met behulp van high-speed shadowgraph imaging technieken ^7,12 (Video 2).

Een low-power (klasse II) HeNe-laser wordt gebruikt om optische diagnostische studies uit te voeren naar de prestaties van het kanon. De HeNe-laserstraal is verdeeld in twee paden, waarbij het ene pad door een reeks acrylvensters bij de uitgang van het kanon loopt en het tweede pad net voorbij de uitgang van het kanon. Elk pad eindigt op een foto-ontvanger en het signaal wordt weergegeven op een tweekanaals oscilloscoop. Het oscilloscoopspoor dat is geregistreerd tijdens het afvuren van het kanon onthult informatie over zowel de snelheid van de versnelde pingpongbal als de samendrukbare stroming en schokgolven die voorafgaan aan het verlaten van de bal uit het kanon. De snelheid van de pingpongbal met een diameter van 40 mm op elke balklocatie is direct gerelateerd aan de tijd dat de bal de balk blokkeert. Een gevoelige "messcherpe" schokdetectie-opstelling wordt bereikt door de helft van de detector te bedekken met een stuk zwarte elektrische tape en de rand van de tape in het midden van de bundel² te plaatsen. Met deze opstelling zijn lichte afbuigingen van de He-Ne-laserstraal, geproduceerd door de samendrukbare stroomgeïnduceerde index van brekingsgradiënten, duidelijk zichtbaar als spanningspieken op het oscilloscoopspoor. De schokgolven die naar de uitgang van het kanon reizen en de gereflecteerde schokgolven buigen de straal in tegengestelde richtingen af en worden daarom geïdentificeerd door een positieve of negatieve spanningspiek.

Hier geven we instructies voor de constructie en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC, evenals optische diagnostische technieken (figuur 1, figuur 2 en figuur 3). De optische diagnostische technieken en metingen zijn ontwikkeld door middel van eerdere jaren van studie ^1,2.

Protocol

1. Bouw en montage van het pingpongkanon (PPC)

1. Monteer alle componenten van de PPC volgens figuur 1.
2. Plaats twee zeer heldere acrylvensters in de zijkanten van het kanon om optisch onderzoek door het binnenste van het kanon mogelijk te maken.
   1. Boor twee 1/2 in gaten door tegenovergestelde zijden van het PVC in de buurt van de uitgang van het kanon.
   2. Bereid twee 1/8 in dikke acrylvensters met behulp van een lasergraveur. Download de drie aanvullende svg-bestanden.
      OPMERKING: Er zijn drie bestanden met het label "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
      (Aanvullend dossier 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
      (Aanvullend dossier 2) en "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
      (Aanvullend dossier 3). Deze drie bestanden moeten worden gebruikt in de aangegeven volgorde met behulp van het proces dat wordt beschreven in de titel (graveren / knippen). De lasersnelheids- en vermogensinstellingen moeten worden ingesteld volgens de door de fabrikant aanbevolen instellingen voor acryl. Elke graveerstap moet ongeveer 1/3 van de dikte van het materiaal verwijderen.
   3. Voeg siliconenkit toe aan de rand van het acryl en pas op dat er geen op het raam komt. Plaats vervolgens ramen in de gaten en zorg ervoor dat ze loodrecht op elkaar staan. Laat voldoende tijd over voor de siliconen om uit te harden na dit deel van het proces.
      OPMERKING: Als er geen lasersnijder beschikbaar is, kan een stuk doorzichtige tape om de omtrek van de buis worden gewikkeld om de 1/2 in gaten af te dichten en als een venster door te werken in het binnenste van de buis. Verdere experimenten kunnen worden uitgevoerd door extra vensters in het kanon te plaatsen om de snelheid en versnelling van de pingpongbal over de lengte van de aangedreven pijp te meten.
3. Schuur met behulp van een bandschuurmachine het oppervlak van de flens bij de uitgang van het kanon af. Werk het schuren af met fijnkorrelig schuurpapier zodat de tape goed aan de flens kan hechten.
4. Snijd met behulp van een lasersnijder een acryldop volgens "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (aanvullend bestand 4). Bevestig een rubberen pakking met een volledig gezicht aan de acryldop. De acryldop is een onderdeel van de drukafdichting die wordt gebruikt bij het bakken van de PPC.
5. Zet het kanon stevig vast voor het afvuren en plaats een stevige container om de pingpongbal veilig te vangen met voldoende vulling om de impact met de achterwand van de container te minimaliseren.
   OPMERKING: Er zijn veel oplossingen voor het beveiligen van het pingpongkanon en het veilig vangen van de bal. Voor het gepresenteerde experiment werd een aangepast klemsysteem gemaakt om het kanon stevig vast te zetten met een horizontale oriëntatie. Deze klemmen kunnen worden geconstrueerd volgens "JoVE_CannonMountTemplate.png" (aanvullend dossier 5).
   1. Gebruik Aanvullend bestand 5 als sjabloon om 2 in x 6 in houten planken uit te snijden. Verbind de bovenste en onderste delen van het klemsysteem met een trekvergrendeling en scharnier om het kanon vast te zetten.
   2. Bekleed de binnenkant van de klemmen met rubberen pakkingmateriaal om het wegglijden van het kanon tijdens het afvuren te voorkomen. Bevestig de aangesloten bovenste en onderste delen van het klemsysteem aan de basis met behulp van vier hoekbeugels.
   3. Monteer het voltooide klemsysteem op een tafelblad met behulp van vier C-klemmen. Bouw een 13 in x 13 in x 24 in multiplex container, en steun het met vier 1 in multiplex platen om de ping-pong bal te vangen. Plaats een dempingsmateriaal in de container om balrebounds te voorkomen. Monteer deze container met C-klemmen op een tafelblad.

2. Bouw en montage van het supersonische pingpongkanon (SSPPC)

1. Monteer alle componenten van de driverpijp volgens figuur 2.
   OPMERKING: Het belangrijkste verschil tussen de PPC en de SSPPC is dat de SSPPC is uitgebreid met een rijdende, onder druk staande sectie van schema 80 PVC-buis die is aangesloten op de ingang van de PPC. Daarom, als de PPC al is gebouwd, hoeft alleen nog te worden geassembleerd om de SSPPC te bouwen is het driverpijpgedeelte.
2. Zet het kanon stevig vast voor het afvuren en plaats een stevige container die de pingpongbal veilig kan vangen met voldoende vulling om de impact op de achterwand van de container te minimaliseren.
   OPMERKING: De montage- en vangsystemen die in stap 1.5 worden beschreven, zijn dezelfde systemen die worden gebruikt om de SSPPC te beveiligen.

3. Optische diagnostiek

1. Stel de laser, straalsplitser, spiegel en foto-ontvangers in door de componenten op een optisch breadboard te monteren, volgens figuur 3. Oriënteer de laser loodrecht op het kanon, waarbij de eerste straal door de binnenkant van de pijp door de acrylramen gaat en de tweede net buiten de uitgang van het kanon.
2. Voed de foto-ontvangers en lasermodule door ze aan te sluiten op een 15 V stroombeperkte voeding en laservoeding. Sluit de foto-ontvangers aan op de twee kanalen van de oscilloscoop met behulp van BNC-kabels.
3. Plaats zwarte elektrische tape over de helft van de fotoontvangersensor. De tape dient als een "mesrand" om een gevoelige schokdetectie-opstelling te creëren.
   OPMERKING: De gevoeligheid van de mesranddetectie kan verder worden verbeterd met behulp van een convergerende lens om de straal op de mesrand te richten. De gevoeligheid kan ook worden verbeterd door de afstand die de bundel aflegt tot de fotoontvanger te vergroten, wat resulteert in een grotere brekingsverplaatsing van de bundel.
4. Voordat u het triggerniveau op de oscilloscoop instelt, moet u er speciaal op letten dat u clipping vermijdt, wat het gevolg kan zijn van de gevoeligheid van de mesrandopstelling. Om clipping te voorkomen, past u de positie van de balk op de mesrand zo aan dat de basisspanning ongeveer 50% van de maximale spanning is. De maximale spanning is de spanning wanneer de volledige bundel zich op de onbelemmerde detector bevindt.
   1. Pas de instellingen op de oscilloscoop aan om 20 miljoen datapunten te verzamelen. Stel de data-acquisitiesnelheid in op 500 MHz door de horizontale schaalknop aan te passen. Draai aan de triggerknop om te struikelen bij een spanning die iets lager is dan de basisspanning die is verkregen van de fotoontvanger.
      OPMERKING: De snelheid van de pingpongbal kan worden gevonden door middel van eenvoudige wiskunde met behulp van de foto-ontvanger modules. De snelheid is de diameter van de pingpongbal gedeeld door de tijd dat de balk wordt belemmerd door de bal. Een microprocessor wordt gebruikt om het signaal te verwerken dat wordt ontvangen van de binnenste foto-ontvangermodule om automatisch de snelheid van de bal aan het einde van het kanon te meten.

4. Automatische snelheidsmetingen

1. Om een microprocessor te gebruiken voor automatische snelheidsmetingen, converteert u het signaal van de fotoontvangermodule naar een 0-5 V-puls, zoals weergegeven in figuur 5, met behulp van een comparator die wordt geactiveerd bij ongeveer 10% van de basisspanning. Sluit het geconverteerde signaal aan op poort 7 van de microprocessor.
2. Download "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (Aanvullend bestand 6) en upload het naar de microprocessor.
3. Sluit het RA8875-scherm en de driverkaart aan op de aangewezen poorten op de microprocessor.

5. Opzetten en afvuren van het pingpongkanon

1. Doe oor- en oogbescherming aan voordat je het kanon afvuurt.
2. Steek een pingpongbal in de uitgang van het kanon. Blaas lichtjes in het uiteinde van het kanon totdat de bal de vacuümfitting bij de ingang van de pijp raakt.
3. Bevestig een 3 in x 3 in vierkant van tape op de flens aan het uiteinde van het kanon en een tweede vierkant op de acryldop. Sluit de tape zodanig af dat deze zich hecht aan het oppervlak van de flens en de dop.
   OPMERKING: Als er rimpels of grote bubbels zijn, moet de tape worden weggegooid. Als de tape niet voldoende aan het oppervlak hecht, kan het vacuüm verloren gaan en kan het kanon voortijdig afvuren. Als op enig moment het vacuüm verloren gaat, kan de naaldklep die op de vacuümpomp is aangesloten, worden geopend om het systeem in evenwicht te brengen.
4. Zorg ervoor dat de laserstraal gecentreerd is op de rand van het mes, dat de trekker goed is ingesteld en dat de vangcontainer veilig is.
5. Zet de vacuümpomp aan om de leiding te evacueren naar een verlaagde absolute druk van minder dan 2 Torr. Zodra een voldoende vacuüm is bereikt, prikt u de tape bij de ingang door met een scherp voorwerp zoals een breedkop of scheermespunt.
6. Zet na het stoken de vacuümpomp uit. Verwijder de tape van de uitgangsflens en de acryldop.

6. Opzetten en afvuren van het supersonische pingpongkanon

1. Draag voor de veiligheid gehoor- en oogbescherming tijdens het vuurproces.
2. Snijd vellen van 0,0005 inch, 0,001 inch en 0,002 in polyesterfolie die overeenkomen met de afmetingen van de flens. Deze vellen kunnen met de hand worden gesneden of, bij voorkeur, met behulp van een lasersnijder. Gebruik het aanvullend dossier "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (Aanvullend Dossier 7) als overzicht.
   OPMERKING: Voor het doel van dit experiment werd het kanon afgevuurd met enkele vellen van 0,0005 in, 0,001 in en 0,002 in polyesterfilm, en de resultaten zijn vastgelegd in figuur 7. Een sjabloon om de polyesterfilm te lasersnijden is te vinden als een SVG-bestand (Aanvullend Bestand 7).
3. Zorg ervoor dat de klep van de luchtcompressor naar de driverpijp gesloten is. Vul de luchtcompressor voor om de driverpijp sneller te vullen wanneer het kanon klaar is om te worden afgevuurd.
4. Steek een pingpongbal in de uitgang van het kanon. Blaas lichtjes in het uiteinde van het kanon totdat de bal wordt gestopt door de vacuümfitting bij de ingang van de aangedreven pijp.
5. Bevestig een 3 in x 3 in vierkant van tape op het uiteinde van het kanon. Sluit de tape zodanig af dat deze zich hecht aan het oppervlak van de flens.
   OPMERKING: Als er rimpels of grote bubbels zijn, moet de tape worden weggegooid. Als de tape niet voldoende aan het oppervlak hecht, kan het vacuüm verloren gaan en kan het kanon voortijdig afvuren. Als het vacuüm lekt of andere complicaties optreden, gebruik dan de drukontlastklep op de driverpijp en de naaldklep op de vacuümpomp om het systeem in evenwicht te brengen.
6. Plaats een voorgesneden dun polyester membraan tussen twee rubberen pakkingen. Plaats het membraan en de rubberen pakkingen tussen de bestuurder en de aangedreven delen van het kanon. Verbind de twee secties stevig met behulp van 4 nokklemmen.
7. Zorg ervoor dat de laserstraal gecentreerd is op de rand van het mes, dat de trekker goed is ingesteld en dat de vangcontainer veilig is.
8. Zet de vacuümpomp aan om de leiding te evacueren naar een verlaagde absolute druk van minder dan 2 Torr. Laat de druk van de luchtcompressor los in de driverleiding. Laat de druk stijgen totdat het membraan barst en de perslucht in de aandrijfleiding snel de geëvacueerde aangedreven leiding vult.
9. Nadat het kanon is afgevuurd, schakelt u de luchtcompressor en de vacuümpomp uit. Verwijder het gebarsten polyester membraan en tape van het kanon.

Resultaten

Hier geven we instructies voor de constructie en het gebruik van een PPC en een SSPPC, samen met de implementatie van de optische diagnostiek voor schokkarakterisering en snelheidsmetingen. Er worden ook representatieve experimentele resultaten verstrekt. De voltooide systemen van de PPC en SSPPC, samen met de benodigde accessoires, zijn weergegeven in figuur 1 en figuur 2. De SSPPC is een verbeterde versie van de PPC, waarbij een aangedreven, onder druk staand ...

Discussie

We hebben een methode gepresenteerd voor de constructie van een PPC en een SSPPC, samen met optische diagnostiek voor het meten van kogelsnelheden en voor de karakterisering van schokvoortplanting bij de uitgang van het kanon. De standaard PPC is gebouwd met een 2 m sectie van 1,5 in schema 80 PVC buis. De buis is voorzien van flenzen aan elk uiteinde, snelkoppelingen en acrylramen bij de uitgang voor laserdiagnostiek. Een gedetailleerd schema van de PPC is weergegeven in figuur 1. Voorafgaa...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
15 V Current Limited Power Supply	New Focus	0901	Aantal: 1
2" x 6" Plank	Home Depot	BTR KD-HT S	Aantal: 1
5.0" 40-pin 800 x 480 TFT Display	Adafruit	1680	Aantal: 1
Absolute Pressure Gauge	McMaster-Carr	1791T3	0–20 Torr | Aantal: 1
Air Compressor	Porter Cable	C2002	6 gallon | Aantal: 1
Arduino UNO Rev3	Arduino	A000066	Aantal: 1
ASME-Code Fast-Acting Pressure-Relief Valve for Air	McMaster-Carr	5784T13	Nickel-Plated, 3/8 NPT, 125 PSI Set Pressure | Aantal: 1
Black Electrical Tape	McMaster-Carr	76455A21	Aantal: 1
BNC Cable	Digikey Number	115-095-850-277M050-ND	Aantal: 2
Broadband Dielectric Mirror	THORLABS	BB05-E02	400–750 nm, Ø1/2" | Aantal: 1
C-Clamp	McMaster-Carr	5133A15	3" opening, 2" reach | Aantal: 6
Cam Clamp	Rockler	58252	Size: 5/16"-18 | Aantal: 2 (2 pack)
Digital Pressure Gauge	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0–100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Aantal: 1
Digital Pressure Gauge	Omega Engineering, Inc.	DPG104S	0–100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Aantal: 1
Draw Latch	McMaster-Carr	1889A37	Size: 3 3/4" x 7/8" | Aantal: 4
Driver Board for 40-pin TFT Touch Displays	Adafruit	1590	Aantal: 1
Full Faced EPDM Gasket	PVC Fittings Online	155G125125FF150	Aantal: 2
Gasket Material	McMaster-Carr	9470K41	15" x 15", 1/8" thick | Aantal: 1
Glowforge Plus	Glowforge	Glowforge Plus	Aantal: 1
HeNe Laser	Uniphase	1108	Class 2 | Aantal: 1
High Tack Box Sealing Tape	Scotch	53344	72 mm wide
Laser Power Supply	Uniphase	1201-1	115 V.12 A | Aantal: 1
LM311 Comparator	Digikey Electronics	296-1389-5-ND	Aantal: 1
Mirror Mount	THORLABS	FMP05	Fixed Ø1/2", 8–32 Tap | Aantal: 1
Moisture-Resistant Polyester Film	McMaster-Carr	8567K102	10' x 0.0005" x 27" | Aantal: 1
Moisture-Resistant Polyester Film	McMaster-Carr	8567K12	10' x 0.001" x 40" | Aantal: 1
Moisture-Resistant Polyester Film	McMaster-Carr	8567K22	10' x 0.002" x 40" | Aantal: 1
Mourtise-Mount Hinge with Holes	McMaster-Carr	1598A52	Size: 1" x 1/2" | Aantal: 4
Needle Valve	Robbins Aviation Inc	INSG103-1P	Aantal: 1
Non-Polarizing Cube Beamsplitters	THORLABS	BS037	Size: 10 mm | Aantal: 2
Nonmetallic PVC Schedule 40	Cantex	A52BE12	Aantal: 2.5 m
Oatey PVC Cement and Primer	PVC Fittings Online	30246	Aantal: 1
Oil-Resistant Compressible Buna-N Gasket with Holes and Adhesive	McMaster-Carr	8516T454	1-1/2 Pipe Size, ANSI 150, 1/16" Thick | Aantal: 1
Oscilliscope	Tektronix	TBS2102	Aantal: 1
Photoreceiver	New Focus	1801	125-MHz | Aantal: 2
Ping Pong Balls	MAPOL	FBA_MP-001	Three Star
Platform Mount for 10mm Beamsplitter and Right-Angle Prisms	THORLABS	BSH10	4-40 Tap | Aantal: 1
Proofgrade High Clarity Clear Acrylic	Glowforge	NA	Thickness: 1/8" | Aantal: 1
Sch 80 PVC Cap	PVC Fittings Online	847-040	Size: 4" | Aantal: 1
Sch 80 PVC Pipe	PVC Fittings Online	8008-040AB-5	Aantal: 5 ft
Sch 80 PVC Reducer Coupling	PVC Fittings Online	829-419	Size: 4" x 1-1/2" | Aantal: 1
Sch 80 PVC Slip Flange	PVC Fittings Online	851-015	Size: 1 1/2" | Aantal: 3
Silicone Sealant Dow Corning	McMaster-Carr	7587A2	3 oz. Tube, Clear | Aantal: 1
Steel Corner Bracket	McMaster-Carr	1556A42	Size: 1 1/2" x 1 1/2" x 1/2" | Aantal: 16
Vacuum Pump	Mastercool	MSC-90059-MD	1 Stage, 1.5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ