Opisujemy metodę budowy naddźwiękowego działa ping-ponga (SSPPC) wraz z optycznymi technikami diagnostycznymi do pomiaru prędkości piłki i charakterystyki rozchodzących się fal uderzeniowych podczas strzelania z armaty.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Szybka diagnostyka optyczna naddźwiękowego działa pingpongowego
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Tradycyjne działo pingpongowe (PPC) to edukacyjne urządzenie, które wystrzeliwuje piłeczkę pingpongową w dół opróżnionej rury do prędkości bliskich sonicznej przy użyciu samego ciśnienia atmosferycznego. SSPPC, rozszerzona wersja PPC, osiąga prędkości naddźwiękowe poprzez rozpędzanie piłki o ciśnienie większe niż atmosferyczne. Dostarczamy instrukcje dotyczące budowy i wykorzystania zoptymalizowanego PPC i SSPPC.
Diagnostyka optyczna jest implementowana w celu zbadania dynamiki armaty. Laser HeNe, który jest wysyłany przez dwa akrylowe okna w pobliżu wyjścia z rury, jest zakończony na czujniku fotoodbiornika. Mikroprocesor mierzy czas, w którym wiązka jest zasłonięta przez piłeczkę pingpongową, aby automatycznie obliczyć prędkość piłki. Wyniki są natychmiast prezentowane na wyświetlaczu LCD.
Optyczna konfiguracja typu knife-edge zapewnia bardzo czuły sposób wykrywania fal uderzeniowych poprzez odcięcie części wiązki HeNe na czujniku. Fale uderzeniowe powodują wywołane załamaniem odchylenia wiązki, które obserwuje się jako niewielkie skoki napięcia w sygnale elektrycznym z fotoodbiornika.
Przedstawione metody są wysoce powtarzalne i dają możliwość dalszych badań w warunkach laboratoryjnych.
Wprowadzenie
PPC to popularna demonstracja fizyki, używana do pokazania ogromnego ciśnienia powietrza, na które ludzie są nieustannie narażeni1,2,3,4,5. Demonstracja polega na umieszczeniu piłeczki pingpongowej w odcinku rury, który ma średnicę wewnętrzną równą w przybliżeniu średnicy piłki. Rura jest uszczelniona z każdej strony taśmą i opróżniana do ciśnienia wewnętrznego mniejszego niż 2 Torr. Taśma na jednym końcu rury zostaje przebita, co umożliwia przedostawanie się powietrza do armaty i powoduje, że kula doświadc....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Budowa i montaż armaty pingpongowej (PPC)
- Zmontuj wszystkie elementy PPC zgodnie z Rysunek 1.
- Umieść dwa przezroczyste akrylowe okna po bokach armaty, aby umożliwić sondowanie optyczne we wnętrzu armaty.
- Wywierć dwa otwory 1/2 cala po przeciwnych stronach PVC w pobliżu wyjścia z armaty.
- Przygotuj dwa okna akrylowe o grubości 1/8 cala za pomocą grawera laserowego. Pobierz trzy dodatkowe pliki svg.
UWAGA: Istnieją trzy pliki oznaczone jako "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(plik uzupełniający 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
W niniejszej pracy przedstawiamy instrukcje budowy i wykorzystania PPC oraz SSPPC, wraz z implementacją diagnostyki optycznej do charakterystyki fal uderzeniowych i pomiarów prędkości. Przedstawiono również reprezentatywne wyniki eksperymentalne. Gotowe systemy PPC i SSPPC wraz z niezbędnymi akcesoriami pokazano na Rysunku 1 oraz Rysunku 2. SSPPC jest rozszerzoną wersją PPC, w której napędowy, ciśnieniowy odcinek rury jest połączony z rurą napędzaną PPC. Układ d.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Przedstawiono metodę budowy PPC i SSPPC wraz z diagnostyką optyczną do pomiaru prędkości kul oraz do charakterystyki rozchodzenia się wstrząsów w pobliżu wyjścia armaty. Standardowy PPC jest zbudowany z 2 m odcinka 1,5 w rurze PVC harmonogramu 80. Rura jest wyposażona w kołnierze na każdym końcu, szybkozłączki próżniowe i akrylowe okienka w pobliżu wyjścia do diagnostyki laserowej. Szczegółowy schemat PPC pokazano na rysunku 1. Przed oddaniem strzału do armaty wkłada się piłeczkę pingpongową.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca jest wspierana przez Wydział Edukacji Licencjackiej NSF (nagroda # 2021157) jako część programu IUSE: EHR
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zasilacz 15 V z ograniczonym prądem | New Focus | 0901 | Ilość: 1 |
| 2 "x 6" Plank | Home Depot | BTR KD-HT S | Ilość: 1 |
| 5.0" 40-pin 800 x 480 TFT | Wyświetlacz Adafruit | 1680 | Ilość: 1 |
| Manometr ciśnienia bezwzględnego | McMaster-Carr | 1791T3 | 0– 20 Torr | Ilość: 1 |
| portera sprężarki powietrza | C2002 | 6 galonów | Ilość: 1 | |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | Ilość: 1 |
| Szybko działający zawór bezpieczeństwa ASME-Code do powietrza | McMaster-Carr | 5784T13 | niklowany, 3/8 NPT, 125 PSI Ciśnienie nastawy | Ilość: 1 |
| taśma izolacyjna | McMaster-Carr | 76455A21 | Ilość: 1 |
| BNC | Digikey Numer | 115-095-850-277M050-ND | Ilość: 2 |
| Szerokopasmowe lustro dielektryczne | THORLABS | BB05-E02 | 400– 750 nm, oraz Oslash; 1/2" | Ilość: 1 |
| C-Clamp | McMaster-Carr | 5133A15 | 3" otwór, 2" zasięg | Ilość: 6 |
| Cam Clamp | Rockler | 58252 | Rozmiar: 5/16"-18 | Ilość: 2 (2 szt.) |
| Cyfrowy manometr | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0– Ciśnienie bezwzględne 100 psi, z wyjściem i alarmami | Ilość: 1 |
| cyfrowy manometr | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0– Ciśnienie bezwzględne 100 psi, z wyjściem i alarmami | Ilość: 1 |
| zatrzask | McMaster-Carr | 1889A37 | Rozmiar: 3 3/4 "x 7/8" | Ilość: 4 |
| Płytka sterownika do 40-pinowych wyświetlaczy dotykowych TFT | Adafruit | 1590 | Ilość: 1 |
| Pełnolicowa uszczelka EPDM | Złączki PVC Online | 155G125125FF150 | Ilość: 2 |
| Materiał uszczelki | McMaster-Carr | 9470K41 | 15 "x 15", grubość 1/8" | Ilość: 1 |
| Glowforge Plus | Glowforge Glowforge | Plus | Ilość: 1 |
| HeNe Laser | Uniphase | 1108 | Klasa 2 | Ilość: 1 |
| taśma uszczelniająca High Tack Box | Scotch | 53344 | o szerokości 72 mm |
| Zasilacz laserowy | Uniphase | 1201-1 | 115 V .12 A | Ilość: 1 |
| LM311 Komparator | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | Ilość: 1 |
| Uchwyt lustrzany | THORLABS | FMP05 | Fixed & Oslash; 1/2", 8– 32 Dotknij | Ilość: 1 |
| odporna na wilgoć folia poliestrowa | McMaster-Carr | 8567K102 | 10 'x 0,0005" x 27" | Ilość: 1 |
| odporna na wilgoć folia poliestrowa | McMaster-Carr | 8567K12 | 10 'x 0,001" x 40" | Ilość: 1 |
| odporna na wilgoć folia poliestrowa | McMaster-Carr | 8567K22 | 10 'x 0,002" x 40" | Ilość: 1 |
| zawias do montażu na mourtise z otworami | McMaster-Carr | 1598A52 | Rozmiar: 1 "x 1/2" | Ilość: 4 |
| Zawór iglicowy | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | Ilość: 1 |
| niepolaryzacyjny rozdzielacz wiązki sześciennej | THORLABS | BS037 | Rozmiar: 10 mm | Ilość: 2 |
| PVC niemetaliczny Harmonogram 40 | Cantex | A52BE12 | Ilość: 2,5 m |
| Oatey PVC Cement i podkład | Złączki PVC Online | 30246 | Ilość: 1 |
| Olejoodporna ściśliwa uszczelka Buna-N z otworami i klejem | McMaster-Carr | 8516T454 | Rozmiar rury 1-1/2, ANSI 150, grubość 1/16 "| Ilość: 1 |
| oscyloskop | Tektronix | TBS2102 | Ilość: 1 |
| Fotoodbiornik | New Focus | 1801 | 125-MHz | Ilość: 2 |
| piłeczki pingpongowe | MAPOL | FBA_MP-001 | Trzygwiazdkowy |
| uchwyt platformowy do rozdzielacza wiązki 10mm i pryzmatów kątowych | THORLABS | BSH10 | 4-40 Tap | Ilość: 1 |
| Proofgrade High Clarity Clear Acrylic | Glowforge | NA | Grubość: 1/8 "| Ilość: 1 |
| Sch 80 PVC Cap | PVC Złączki Online | 847-040 | Rozmiar: 4 " | Ilość: 1 |
| Sch 80 Złączki | PVC online | 8008-040AB-5 | Ilość: 5 ft |
| Sch 80 PVC Reduktor | Złączki PVC Złączki PVC Online | 829-419 | Rozmiar: 4 "x 1-1 / 2" | Ilość: 1 |
| Sch 80 Kołnierz ślizgowy PVC | Złączki PVC Online | 851-015 | Rozmiar: 1 1/2 "| Ilość: 3 |
| Uszczelniacz silikonowy Dow Corning | McMaster-Carr | 7587A2 | 3 uncje tuba, przezroczysta | Ilość: 1 |
| Stalowy wspornik narożny | McMaster-Carr | 1556A42 | Rozmiar: 1 1/2 "x 1 1/2" x 1/2 "| Ilość: 16 |
| Pompa próżniowa | Mastercool | MSC-90059-MD | 1 Stage, 1,5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ |
Bibliografia
- 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).
- ....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
