Name: Szybka diagnostyka optyczna naddźwiękowego działa pingpongowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T13:10:00.000+00:00
Duration: 5 min 40 s
Description: Poznaj metodę budowy naddźwiękowej armaty pingpongowej i techniki diagnostyki optycznej do pomiaru prędkości kul oraz detekcji fal uderzeniowych. To podejście umożliwia precyzyjne badania zjawisk fizycznych.

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

Ta praca jest wspierana przez Wydział Edukacji Licencjackiej NSF (nagroda # 2021157) jako część programu IUSE: EHR

1. Budowa i montaż armaty pingpongowej (PPC)
<ol>
	<li>Zmontuj wszystkie elementy PPC zgodnie z Rysunek 1.</li>
	<li>Umieść dwa przezroczyste akrylowe okna po bokach armaty, aby umożliwić sondowanie optyczne we wnętrzu armaty.
	<ol>
		<li>Wywierć dwa otwory 1/2 cala po przeciwnych stronach PVC w pobliżu wyjścia z armaty.</li>
		<li>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" 
		(Plik uzupełniający 2) oraz "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg" 
		(Plik uzupełniający 3). Te trzy pliki należy wykorzystać w podanej kolejności, korzystając z procesu opisanego w tytule (grawerowanie/wycinanie). Ustawienia prędkości i mocy lasera należy ustawić zgodnie z zalecanymi przez producenta ustawieniami dla akrylu. Każdy etap grawerowania powinien usunąć około 1/3 grubości materiału.</li>
		<li>Dodaj uszczelniacz silikonowy do krawędzi akrylu, uważając, aby nie dostał się na okno. Następnie umieść okna w otworach, upewniając się, że są prostopadłe do siebie. Pozostaw wystarczająco dużo czasu na utwardzenie silikonu po tej części procesu. 
		UWAGA: Jeśli wycinarka laserowa nie jest dostępna, kawałek przezroczystej taśmy można owinąć wokół obwodu rury, aby uszczelnić 1/2 otworów i działać jak okno do wnętrza rury. Dalsze eksperymenty można przeprowadzić, wstawiając w armatę dodatkowe okienka do pomiaru prędkości i przyspieszenia piłeczki pingpongowej na całej długości napędzanej rury.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Za pomocą szlifierki taśmowej zeszlifuj powierzchnię kołnierza na wyjściu z armaty. Zakończ szlifowanie drobnoziarnistym papierem ściernym, aby taśma dobrze przylegała do kołnierza.</li>
	<li>Za pomocą wycinarki laserowej wytnij akrylową nasadkę zgodnie z "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (plik uzupełniający 4). Przymocuj pełną gumową uszczelkę do akrylowej nasadki. Nasadka akrylowa jest elementem uszczelki ciśnieniowej używanej podczas wypalania PPC.</li>
	<li>Mocno zabezpiecz armatę do strzału i ustaw solidny pojemnik, aby bezpiecznie złapać piłeczkę pingpongową, z dużą wyściółką, aby zminimalizować uderzenie o tylną ścianę pojemnika. 
	UWAGA: Istnieje wiele rozwiązań pozwalających na zabezpieczenie armaty pingpongowej i bezpieczne złapanie piłki. Na potrzeby prezentowanego eksperymentu stworzono niestandardowy system zaciskowy, który ma na celu stabilne zabezpieczenie armaty w orientacji poziomej. Zaciski te mogą być skonstruowane zgodnie z "JoVE_CannonMountTemplate.png" (plik uzupełniający 5).
	<ol>
		<li>Użyj pliku uzupełniającego 5 jako szablonu, aby wyciąć deski drewniane o wymiarach 2 cale x 6 cali. Połącz górną i dolną część systemu zaciskowego za pomocą zatrzasku ściągającego i zawiasu, aby zabezpieczyć działo.</li>
		<li>Wyłóż wnętrze zacisków gumową uszczelką, aby zapobiec ślizganiu się armaty podczas procesu strzelania. Przymocuj połączoną górną i dolną część clampsystem do podstawy za pomocą czterech wsporników narożnych.</li>
		<li>Zamontuj kompletny system mocowania na blacie stołu za pomocą czterech zacisków C. Zbuduj pojemnik ze sklejki o wymiarach 13 cali x 13 cali x 24 cale i wesprzyj go czterema arkuszami sklejki o wymiarach 1 cal, aby złapać piłeczkę pingpongową. Umieść materiał amortyzujący w pojemniku, aby zapobiec odbijaniu się piłki. Zamontuj ten pojemnik za pomocą C-clamps do blatu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Budowa i montaż naddźwiękowego działa ping-ponga (SSPPC)
<ol>
	<li>Zmontuj wszystkie elementy rury sterownika zgodnie z Rysunek 2. 
	UWAGA: Podstawowa różnica między PPC a SSPPC polega na tym, że SSPPC jest rozszerzony o napędzający, ciśnieniowy odcinek rury PVC z harmonogramu 80, która jest podłączona do wejścia PPC. W związku z tym, jeśli PPC został już skonstruowany, wszystko, co pozostaje do zmontowania w celu zbudowania SSPPC, to odcinek rury sterującej.</li>
	<li>Mocno zabezpiecz armatę do strzału i ustaw solidny pojemnik, który może bezpiecznie złapać piłeczkę pingpongową, z dużą wyściółką, aby zminimalizować uderzenie w tylną ścianę pojemnika. 
	UWAGA: Systemy mocowania i zaczepiania opisane w kroku 1.5 są tymi samymi systemami, które są używane do zabezpieczania SSPPC.</li>
</ol>
3. Diagnostyka optyczna
<ol>
	<li>Ustaw laser, rozdzielacz wiązki, lustro i fotoodbiorniki, montując komponenty na płytki stykowej optycznej, zgodnie z Rysunek 3. Ustaw laser prostopadle do armaty, tak aby pierwsza wiązka przechodziła przez wnętrze rury przez akrylowe okna, a druga przechodziła tuż za wyjściem z armaty.</li>
	<li>Zasilaj fotoodbiorniki i moduł laserowy poprzez podłączenie ich do zasilacza o ograniczonym natężeniu prądu 15 V oraz zasilacza laserowego. Podłącz fotoodbiorniki do dwóch kanałów oscyloskopu za pomocą BNC.</li>
	<li>Umieść czarną taśmę izolacyjną na połowie czujnika fotoodbiornika. Taśma służy jako "ostrze noża" do tworzenia czułego zestawu do wykrywania wstrząsów. 
	UWAGA: Czułość wykrywania krawędzi noża można dodatkowo zwiększyć za pomocą soczewki zbieżnej w celu skupienia wiązki na krawędzi noża. Czułość można również zwiększyć poprzez zwiększenie odległości, jaką wiązka pokonuje od fotoodbiornika, co skutkuje większym załamaniem światła.</li>
	<li>Przed ustawieniem poziomu wyzwalania na oscyloskopie należy zwrócić szczególną uwagę, aby uniknąć przesterowania, które może wynikać z czułości ustawienia z ostrzem noża. Aby uniknąć przycinania, wyreguluj położenie belki na krawędzi noża tak, aby napięcie linii bazowej wynosiło około 50% napięcia maksymalnego. Maksymalne napięcie to napięcie, gdy na niezakłóconym detektorze znajduje się pełna wiązka.
	<ol>
		<li>Dostosuj ustawienia oscyloskopu, aby zebrać 20 milionów punktów danych. Ustaw szybkość akwizycji danych na 500 MHz, regulując pokrętło skali poziomej. Przekręć pokrętło spustu, aby wyzwolić się przy napięciu nieco niższym od napięcia bazowego uzyskanego z fotoodbiornika. 
		UWAGA: Prędkość piłeczki pingpongowej można określić za pomocą prostej matematyki za pomocą modułów fotoodbiornika. Prędkość to średnica piłeczki pingpongowej podzielona przez czas, w którym wiązka jest zasłonięta przez piłkę. Mikroprocesor jest wykorzystywany do przetwarzania sygnału odbieranego z wewnętrznego modułu fotoodbiornika w celu automatycznego pomiaru prędkości kuli na końcu armaty.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Automatyczne pomiary prędkości
<ol>
	<li>Aby wykorzystać mikroprocesor do automatycznych pomiarów prędkości, przekształć sygnał z modułu fotoodbiornika na impuls 0-5 V, jak pokazano na rysunku Rysunek 5, używając komparatora, który wyzwala się przy około 10% napięcia podstawowego. Podłącz przekonwertowany sygnał do portu 7 mikroprocesora.</li>
	<li>Pobierz plik "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (Plik uzupełniający 6) i wgraj go do mikroprocesora.</li>
	<li>Podłącz wyświetlacz i płytę sterownika RA8875 do wyznaczonych portów mikroprocesora.</li>
</ol>
5. Ustawienie i odpalenie armaty pingpongowej
<ol>
	<li>Załóż ochronniki słuchu i oczu przed oddaniem strzału z armaty.</li>
	<li>Włóż piłeczkę pingpongową do wyjścia z armaty. Dmuchnij lekko w koniec armaty, aż kula uderzy w złączkę podciśnieniową w pobliżu wejścia do rury.</li>
	<li>Przymocuj kwadrat taśmy o wymiarach 3 cale x 3 cale do kołnierza na wyjściu z armaty, a drugi kwadrat na akrylowej nasadce. Uszczelnij taśmę tak, aby przylegała do powierzchni kołnierza i zaślepki. 
	UWAGA: Jeśli są jakiekolwiek zmarszczki lub duże pęcherzyki, taśmę należy wyrzucić. Jeśli taśma nie przylega wystarczająco do powierzchni, próżnia może zostać utracona, a armata może przedwcześnie wystrzelić. Jeśli w dowolnym momencie próżnia zostanie utracona, zawór iglicowy podłączony do pompy próżniowej można otworzyć, aby doprowadzić system do równowagi.</li>
	<li>Upewnij się, że wiązka lasera jest wyśrodkowana na krawędzi noża, spust jest prawidłowo ustawiony, a pojemnik chwytający jest bezpieczny.</li>
	<li>Włącz pompę próżniową, aby opróżnić rurę do obniżonego ciśnienia bezwzględnego poniżej 2 Torr. Po osiągnięciu wystarczającego podciśnienia przebij taśmę przy wejściu ostrym przedmiotem, takim jak szeroka główka lub końcówka brzytwy.</li>
	<li>Po odpaleniu wyłącz pompę próżniową. Usuń taśmę z kołnierza wyjściowego i akrylowej nasadki.</li>
</ol>
6. Ustawienie i odpalenie naddźwiękowego działa ping-ponga
<ol>
	<li>Ze względów bezpieczeństwa należy nosić ochronniki słuchu i oczu podczas całego procesu wypalania.</li>
	<li>Wytnij arkusze folii poliestrowej o grubości 0,0005 cala, 0,001 cala i 0,002 cala, które pasują do wymiarów kołnierza. Arkusze te można ciąć ręcznie lub najlepiej za pomocą wycinarki laserowej. Użyj pliku uzupełniającego "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (Plik uzupełniający 7) jako konspektu. 
	UWAGA: Na potrzeby tego eksperymentu armata została wystrzelona z pojedynczych arkuszy o grubości 0,0005 cala, 0,001 cala i 0,002 cala folii poliestrowej, a wyniki są zapisane w <silna klasa="xfig">Rysunek 7. Szablon do laserowego cięcia folii poliestrowej można znaleźć jako plik SVG (plik uzupełniający 7).</li>
	<li>Upewnij się, że zawór od sprężarki powietrza do przewodu sterownika jest zamknięty. Napełnij sprężarkę powietrza, aby umożliwić szybsze napełnienie rury sterownika, gdy armata jest gotowa do strzału.</li>
	<li>Włóż piłeczkę pingpongową do wyjścia z armaty. Dmuchnij lekko w koniec armaty, aż kula zostanie zatrzymana przez złączkę próżniową w pobliżu wejścia napędzanej rury.</li>
	<li>Przymocuj kwadrat taśmy o wymiarach 3 cale x 3 cale na wychodzącym końcu armaty. Uszczelnij taśmę tak, aby przylegała do powierzchni kołnierza. 
	UWAGA: Jeśli są jakiekolwiek zmarszczki lub duże pęcherzyki, taśmę należy wyrzucić. Jeśli taśma nie przylega wystarczająco do powierzchni, próżnia może zostać utracona, a armata może przedwcześnie wystrzelić. Jeśli pojawią się wycieki podciśnienia lub inne komplikacje, użyj zaworu spustowego ciśnienia na rurze sterownika i zaworu iglicowego na pompie próżniowej, aby doprowadzić system do równowagi.</li>
	<li>Włóż wstępnie przyciętą cienką membranę poliestrową między dwie gumowe uszczelki. Umieść membranę i gumowe uszczelki między sterownikiem a napędzaną sekcją armaty. Szczelnie połącz dwie sekcje za pomocą 4 zacisków krzywkowych.</li>
	<li>Upewnij się, że wiązka lasera jest wyśrodkowana na krawędzi noża, spust jest prawidłowo ustawiony, a pojemnik chwytający jest bezpieczny.</li>
	<li>Włącz pompę próżniową, aby opróżnić rurę do obniżonego ciśnienia bezwzględnego poniżej 2 Torr. Zwolnij ciśnienie ze sprężarki powietrza do przewodu sterownika. Pozwól, aby ciśnienie wzrosło, aż membrana pęknie, a sprężone powietrze w rurze sterownika szybko wypełni opróżnioną rurę napędzaną.</li>
	<li>Po oddaniu strzału z armaty wyłącz sprężarkę powietrza i pompę próżniową. Usuń pękniętą membranę poliestrową i taśmę z armaty.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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 doświadcza szczytowych przyspieszeń około 5000 g. Kula, która jest rozpędzana samym ciśnieniem atmosferycznym, po przebyciu 2 m opuszcza działo z prędkością około 300 m/s.
Chociaż PPC jest powszechnie używany jako prosta demonstracja ciśnienia atmosferycznego, jest to również urządzenie, które wykazuje złożoną fizykę przepływu ściśliwego, co zaowocowało licznymi otwartymi projektami studenckimi. Na dynamikę piłki wpływają czynniki wtórne, takie jak tarcie o ścianę, wyciek powietrza wokół piłki oraz tworzenie się fal uderzeniowych przez rozpędzającą się piłkę. Znaczne przyspieszenie piłki wprowadza falę kompresyjną o dużej amplitudzie, która przemieszcza się w dół rury przed piłką. Kompresje te rozchodzą się szybciej niż lokalna prędkość dźwięku, co powoduje strome nachylenie fali ściskającej i ostateczne powstanie fali uderzeniowej6. Poprzednie prace dotyczyły szybkiego wzrostu ciśnienia na wyjściu z rurki spowodowanego odbiciami fali uderzeniowej między piłką a zaklejonym taśmą wyjściem z rurki i wynikającym z tego oderwaniem taśmy przed wyjściem z piłki2. Szybkie wideo wykorzystujące technikę obrazowania Schlierena z pojedynczym lustrem ujawniło reakcję taśmy na odbijające się fale uderzeniowe i ostateczne oderwanie taśmy na wyjściu z PPC7,8 (Wideo 1). W ten sposób PPC służy zarówno jako prosta demonstracja ciśnienia powietrza, która intryguje publiczność w każdym wieku, jak i jako urządzenie wykazujące złożoną fizykę płynów, którą można bardzo szczegółowo badać w warunkach laboratoryjnych.
W standardowym PPC, prędkość piłeczki pingpongowej jest ograniczona przez prędkość dźwięku. Ta podstawowa wersja PPC jest omówiona w zakresie tego artykułu, wraz ze zmodyfikowanym działkiem używanym do rozpędzania piłki do prędkości naddźwiękowych. W poprzednich pracach Frencha i wsp., naddźwiękowe prędkości piłeczek pingpongowych zostały osiągnięte dzięki wykorzystaniu napędzanego ciśnieniem przepływu przez dyszę zbieżno-rozbieżną9,10,11. Prezentowany tutaj SSPPC wykorzystuje rurę ciśnieniową (sterownik), aby zapewnić większą różnicę ciśnień na piłce pingpongowej niż jest to zapewnione przez samo ciśnienie atmosferyczne. Cienka membrana poliestrowa służy do oddzielenia rury sterującej od opróżnionej (napędzanej) rury zawierającej kulę. Membrana ta pęka pod wystarczającym ciśnieniem (zwykle 5-70 psi, w zależności od grubości membrany), przyspieszając w ten sposób piłeczkę pingpongową do prędkości do 1,4 Macha. Naddźwiękowa piłeczka pingpongowa wytwarza stojącą falę uderzeniową, co można zobaczyć przy użyciu technik obrazowania cieniowego o dużej prędkości7,12 (Wideo 2).
Laser HeNe o małej mocy (klasa II) jest używany do przeprowadzania optycznych badań diagnostycznych nad wydajnością armaty. Wiązka lasera HeNe jest podzielona na dwie ścieżki, z których jedna przechodzi przez zestaw akrylowych okien w pobliżu wyjścia z armaty, a druga ścieżka przechodzi tuż obok wyjścia z armaty. Każda ścieżka kończy się na fotoodbiorniku, a sygnał jest wyświetlany na oscyloskopie dwukanałowym. Ślad oscyloskopu zarejestrowany podczas wystrzeliwania z armaty ujawnia informacje zarówno o prędkości rozpędzonej piłeczki pingpongowej, jak i o ściśliwym przepływie i falach uderzeniowych, które poprzedzają wyjście piłki z armaty. Prędkość piłeczki pingpongowej o średnicy 40 mm w każdym miejscu belki jest bezpośrednio związana z czasem, w którym piłka blokuje belkę. Czułą konfigurację wykrywania wstrząsów typu "knife-edge" uzyskuje się poprzez pokrycie połowy detektora kawałkiem czarnej taśmy izolacyjnej i umieszczenie krawędzi taśmy w środku wiązki2. Przy takim układzie niewielkie odchylenia wiązki laserowej He-Ne, wytwarzane przez ściśliwy współczynnik gradientów załamania światła wywołany przepływem, są wyraźnie widoczne jako skoki napięcia na śladzie oscyloskopu. Fale uderzeniowe przemieszczające się w kierunku wyjścia z armaty i odbite fale uderzeniowe odchylają wiązkę w przeciwnych kierunkach i dlatego są identyfikowane przez dodatni lub ujemny skok napięcia.
Tutaj podajemy instrukcje dotyczące budowy i użytkowania zoptymalizowanych PPC i SSPPC, a także optycznych technik diagnostycznych (Rysunek 1, Rysunek 2, oraz Rysunek 3). Optyczne techniki diagnostyczne i pomiary zostały opracowane w poprzednich latach badań1,2.

<table><tbody><tr><td>Zasilacz 15 V z ograniczonym prądem</td><td>New Focus</td><td>0901</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>2 "x 6" Plank</td><td>Home Depot</td><td>BTR KD-HT S</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>5.0" 40-pin 800 x 480 TFT</td><td>Wyświetlacz Adafruit</td><td>1680</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Manometr ciśnienia bezwzględnego</td><td>McMaster-Carr</td><td>1791T3</td><td>0&ndash; 20 Torr | Ilość: 1</td></tr><tr><td>portera sprężarki powietrza</td><td></td><td>C2002</td><td>6 galonów | Ilość: 1</td></tr><tr><td>Arduino UNO Rev3</td><td>Arduino</td><td>A000066</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Szybko działający zawór bezpieczeństwa ASME-Code do powietrza</td><td>McMaster-Carr</td><td>5784T13</td><td>niklowany, 3/8 NPT, 125 PSI Ciśnienie nastawy | Ilość: 1</td></tr><tr><td>taśma izolacyjna</td><td>McMaster-Carr</td><td>76455A21</td><td>Ilość: 1</td></tr> <tr><td>BNC</td><td>Digikey Numer</td><td>115-095-850-277M050-ND</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Szerokopasmowe lustro dielektryczne</td><td>THORLABS</td><td>BB05-E02</td><td>400&ndash; 750 nm, oraz Oslash; 1/2" | Ilość: 1</td></tr><tr><td>C-Clamp</td><td>McMaster-Carr</td><td>5133A15</td><td>3" otwór, 2" zasięg | Ilość: 6</td></tr><tr><td>Cam Clamp</td><td>Rockler</td><td>58252</td><td>Rozmiar: 5/16"-18 | Ilość: 2 (2 szt.)</td></tr> <tr><td>Cyfrowy manometr</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>DPG104S</td><td>0&ndash; Ciśnienie bezwzględne 100 psi, z wyjściem i alarmami | Ilość: 1</td></tr><tr><td>cyfrowy manometr</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>DPG104S</td><td>0&ndash; Ciśnienie bezwzględne 100 psi, z wyjściem i alarmami | Ilość: 1</td></tr><tr><td>zatrzask</td><td>McMaster-Carr</td><td>1889A37</td><td>Rozmiar: 3 3/4 "x 7/8" | Ilość: 4</td></tr><tr><td>Płytka sterownika do 40-pinowych wyświetlaczy dotykowych TFT</td><td>Adafruit</td><td>1590</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Pełnolicowa uszczelka EPDM</td><td>Złączki PVC Online</td><td>155G125125FF150</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Materiał uszczelki</td><td>McMaster-Carr</td><td>9470K41</td><td>15 "x 15", grubość 1/8" | Ilość: 1</td></tr><tr><td>Glowforge Plus</td><td>Glowforge Glowforge</td><td>Plus</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>HeNe Laser</td><td>Uniphase</td><td>1108</td><td>Klasa 2 | Ilość: 1</td></tr><tr><td>taśma uszczelniająca High Tack Box</td><td>Scotch</td><td>53344</td><td>o szerokości 72 mm&nbsp;</td></tr><tr><td>Zasilacz laserowy</td><td>Uniphase</td><td>1201-1</td><td>115 V .12 A | Ilość: 1</td></tr><tr><td>LM311 Komparator</td><td>Digikey Electronics</td><td>296-1389-5-ND</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Uchwyt lustrzany</td><td>THORLABS</td><td>FMP05</td><td>Fixed & Oslash; 1/2", 8&ndash; 32 Dotknij | Ilość: 1</td></tr><tr><td>odporna na wilgoć folia poliestrowa</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K102</td><td>10 'x 0,0005" x 27" | Ilość: 1</td></tr><tr><td>odporna na wilgoć folia poliestrowa</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K12</td><td>10 'x 0,001" x 40" | Ilość: 1</td></tr><tr><td>odporna na wilgoć folia poliestrowa</td><td>McMaster-Carr</td><td>8567K22</td><td>10 'x 0,002" x 40" | Ilość: 1</td></tr><tr><td>zawias do montażu na mourtise z otworami</td><td>McMaster-Carr</td><td>1598A52</td><td>Rozmiar: 1 "x 1/2" | Ilość: 4</td></tr><tr><td>Zawór iglicowy</td><td>Robbins Aviation Inc</td><td>INSG103-1P</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>niepolaryzacyjny rozdzielacz wiązki sześciennej</td><td>THORLABS</td><td>BS037</td><td>Rozmiar: 10 mm | Ilość: 2</td></tr><tr><td>PVC niemetaliczny Harmonogram 40</td><td>Cantex</td><td>A52BE12</td><td>Ilość: 2,5 m&nbsp;</td></tr><tr><td>Oatey PVC Cement i podkład</td><td>Złączki PVC Online</td><td>30246</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Olejoodporna ściśliwa uszczelka Buna-N z otworami i klejem</td><td>McMaster-Carr</td><td>8516T454</td><td>Rozmiar rury 1-1/2, ANSI 150, grubość 1/16 "| Ilość: 1</td></tr><tr><td>oscyloskop</td><td>Tektronix</td><td>TBS2102</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Fotoodbiornik</td><td>New Focus</td><td>1801</td><td>125-MHz | Ilość: 2</td></tr><tr><td>piłeczki pingpongowe</td><td>MAPOL</td><td>FBA_MP-001</td><td>Trzygwiazdkowy</td></tr><tr><td>uchwyt platformowy do rozdzielacza wiązki 10mm i pryzmatów kątowych</td><td>THORLABS</td><td>BSH10</td><td>4-40 Tap | Ilość: 1</td></tr><tr><td>Proofgrade High Clarity Clear Acrylic</td><td>Glowforge</td><td>NA</td><td>Grubość: 1/8 "| Ilość: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC Cap</td><td>PVC Złączki Online</td><td>847-040</td><td>Rozmiar: 4 " | Ilość: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 Złączki</td> PVC do rur <td>PVC online</td><td>8008-040AB-5</td><td>Ilość: 5 ft</td></tr><tr><td>Sch 80 PVC Reduktor</td><td>Złączki PVC Złączki PVC Online</td><td>829-419</td><td>Rozmiar: 4 "x 1-1 / 2" | Ilość: 1</td></tr><tr><td>Sch 80 Kołnierz ślizgowy PVC</td><td>Złączki PVC Online</td><td>851-015</td><td>Rozmiar: 1 1/2 "| Ilość: 3</td></tr><tr><td>Uszczelniacz silikonowy Dow Corning</td><td>McMaster-Carr</td><td>7587A2</td><td>3 uncje tuba, przezroczysta | Ilość: 1</td></tr><tr><td>Stalowy wspornik narożny</td><td>McMaster-Carr</td><td>1556A42</td><td>Rozmiar: 1 1/2 "x 1 1/2" x 1/2 "| Ilość: 16</td></tr><tr><td>Pompa próżniowa</td><td>Mastercool</td><td>&nbsp; MSC-90059-MD</td><td>1 Stage, 1,5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ</td></tr></tbody></table>

szybka diagnostyka optyczna naddźwiękowego działa pingpongowego

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

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.

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...

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.

Szybka diagnostyka optyczna naddźwiękowego działa pingpongowego

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 ...

Zapewniamy instrukcje budowy i obsługi naddźwiękowej armaty pingpongowej wraz z optycznymi technikami diagnostycznymi do pomiaru prędkości piłki i wykrywania fal uderzeniowych. Optyczna krawędź noża jest bardzo wrażliwa na małe, poprzeczne odchylenia wiązki laserowej i zapewnia środki do wykrywania fal uderzeniowych związanych z armatą. Na początek zasil odbiorniki fotograficzne i moduł laserowy, podłączając je do zasilacza o ograniczonym natężeniu prądu 15 V i zasilacza laserowego.Następnie podłącz odbiorniki zdjęć do dwóch kanałów oscyloskopu za pomocą BNC. W celu optycznej konfiguracji diagnostycznej umieść laser prostopadle do wyprodukowanego działa, tak aby pierwsza wiązka przechodziła przez akrylowe okna wewnątrz rury, a druga tuż za wyjściem z armaty. Umieść czarną taśmę izolacyjną na połowie czujnika odbiornika fotograficznego, tworząc konfigurację wykrywania wstrząsów krawędzią noża.Aby uniknąć przycinania, wyreguluj położenie belki na krawędzi noża tak, aby napięcie linii bazowej wynosiło około 50% wartości maksymalnej. Następnie dostosuj ustawienia oscyloskopu, aby zebrać 20 milionów punktów danych. Użyj pokrętła skali poziomej, aby ustawić szybkość akwizycji danych na 500 megaherców.Obróć pokrętło spustu, aby wyzwolić się przy voltage nieco poniżej ustawionej linii bazowej uzyskanej z odbiornika fotograficznego. Przed odpaleniem PPC należy założyć ochronniki słuchu i oczu. Włóż piłeczkę pingpongową do wyjścia armaty i lekko dmuchnij w koniec armaty, aż uderzy w złączkę próżniową w pobliżu wejścia do rury.Uszczelnij kołnierz wyjściowy armaty i akrylową nasadkę za pomocą dwóch kawałków kwadratowej taśmy. Upewnij się, że wiązka lasera jest wyśrodkowana na krawędzi noża, spust jest prawidłowo ustawiony, a pojemnik chwytający jest bezpieczny. Włącz pompę próżniową, aby opróżnić rurę do obniżonego ciśnienia bezwzględnego poniżej dwóch Torr.Po osiągnięciu wystarczającego podciśnienia użyj szerokiej końcówki, aby przebić taśmę przy wejściu. Po odpaleniu wyłącz pompę próżniową i usuń pozostałą taśmę z kołnierza wyjściowego i akrylowej nasadki. Aby odpalić naddźwiękowy PPC, zamknij zawór łączący rurę sterownika ze sprężarką powietrza i napełnij zbiornik sprężarki powietrza.Uderz piłkę, jak pokazano wcześniej. Po uszczelnieniu naddźwiękowego kołnierza wyjściowego PPC włóż cienką, wstępnie wyciętą membranę poliestrową między dwie gumowe uszczelki i umieść je między sterownikiem armaty a sekcją napędzaną. Połącz dwie sekcje za pomocą czterech zacisków krzywkowych.Po zmniejszeniu ciśnienia w rurze należy zwolnić ciśnienie ze sprężarki powietrza do rury sterownika, pozwalając na wzrost ciśnienia aż do pęknięcia membrany, a sprężone powietrze w rurze sterownika wypełni opróżnioną rurę napędzaną. Po naddźwiękowym odpaleniu PPC wyłącz sprężarkę powietrza i pompę próżniową. Usuń pękniętą membranę poliestrową i taśmę z armaty.Rozchodząca się fala uderzeniowa, odbijająca się w całym procesie wystrzału z armaty, była reprezentowana przez zmianę napięcia względem czasu. Dodatni lub ujemny skok pokazuje kierunek fali uderzeniowej w sygnale, a prędkość została obliczona na podstawie szerokości impulsu kwadratowego, wytwarzanego przez kulę odcinającą wiązkę. Do przetworzenia sygnału z wiązki przecinającej wnętrze rury wykorzystano mikroprocesor w celu automatycznego obliczenia i wyświetlenia prędkości piłki w pobliżu wyjścia z armaty.Ślady oscyloskopu wykazały dwukanałowe odpalanie naddźwiękowego PPC. Górny ślad przedstawia belkę przechodzącą przez wnętrze armaty, w pobliżu wyjścia. Natomiast dolny ślad odpowiada promieniowi przechodzącemu przez tor lotu piłeczki pingpongowej po wyjściu z armaty.Sygnał odcięcia wskazywał, że piłka przeszła i zasłaniała każdą wiązkę. Wykres różnicy ciśnień w funkcji liczby Macha ujawnił, że membrany o grubości 0,001 i 0,002 cala pękają przy wystarczającej różnicy ciśnień, aby przyspieszyć piłeczkę pingpongową do prędkości naddźwiękowej. Prędkość piłki była stale większa niż 1,3 Macha z membraną o grubości 0,002 cala.Prezentowane naddźwiękowe działo pingpongowe wraz z diagnostyką optyczną podniesie wartość armaty, zarówno jako urządzenia demonstracyjnego, jak i jako aparatury do dalszych eksperymentów laboratoryjnych.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisano eksperymentalną metodę badania wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Zastosowanie tej metody pozwala na uzyskanie wysokiej jakości obrazów wczesnej plazmy z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną. Do symulacji i wyjaśnienia mechanizmów powstawania wczesnej plazmy wykorzystano nowatorski zintegrowany model atomistyczny.

Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

Procedura badania przepływów przejściowych w pobliżu granic za pomocą wysokiej rozdzielczości, szybkiej prędkości obrazowania cząstek (PIV) jest opisana tutaj. PIV to nieinwazyjna technika pomiarowa mająca zastosowanie do każdego optycznie dostępnego przepływu poprzez optymalizację kilku ograniczeń parametrów, takich jak właściwości obrazu i zapisu, właściwości arkusza laserowego i algorytmy analizy.

Szybkie obrazowanie cząstek w pobliżu powierzchni

Pękanie i fragmentacja są zjawiskami późnego stadium w scenariuszach dynamicznego ładowania i są zazwyczaj badane przy użyciu materiałów wybuchowych. Przedstawiamy technikę napędzania rozprężania za pomocą pistoletu gazowego, która w unikalny sposób umożliwia kontrolę zarówno szybkości ładowania, jak i temperatury próbki.

Metoda badania zależności dynamicznego pękania i fragmentacji od temperatury

Opisano dwa eksperymentalne urządzenia do badania uderzenia strumienia cieczy w poruszającą się powierzchnię o dużej prędkości: urządzenie z armatą powietrzną i urządzenie z wirującym dyskiem. Aparatura służy do określania optymalnych podejść do stosowania płynnego modyfikatora tarcia (LFM) na torach kolejowych w celu kontroli tarcia na szczycie szyny.

Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni

Testy rozwojowe materiałów wybuchowych do zastosowań wojskowych obejmują formułowanie na małą skalę, testy bezpieczeństwa, a na końcu testy wydajności detonacji w celu weryfikacji teoretycznych obliczeń. W tym artykule omówiono typowe testy rozwojowe związane z pomiarem prędkości detonacji i ciśnienia detonacji.

Badania i rozwój materiałów wybuchowych o wysokiej wydajności

Tutaj prezentujemy protokół do budowy szybkiego spektrometru Brillouina. Kaskadowe wirtualnie obrazowane etalony z matrycą fazową (VIPA) osiągają prędkość pomiaru ponad 1000 razy większą niż tradycyjne skaningowe spektrometry Fabry'ego-Perota. To ulepszenie zapewnia środki do analizy tkanek i biomateriałów metodą Brillouin przy niskich poziomach mocy in vivo.

Szybki spektrometr sub-GHz do analizy rozpraszania Brillouina

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Opisujemy konstrukcję spektrometru CW-SBS do szybkiego rozpraszania Brillouiny stymulowanego falami ciągłymi. Spektrometr wykorzystuje lasery diodowe o pojedynczej częstotliwości i atomowy filtr wycinający do pozyskiwania widm transmisyjnych mętnych/niemętnych próbek o wysokiej rozdzielczości spektralnej przy prędkościach do 100 razy większych niż w przypadku istniejących spektrometrów CW-SBS. To ulepszenie umożliwia szybką analizę materiału Brillouina.<br...

Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

Ten protokół opisuje kluczowe kroki do przeprowadzania i analizowania eksperymentów z pompą-sondą, łącząc femtosekundowy laser optyczny z laserem na swobodnych elektronach, w celu zbadania ultraszybkich reakcji fotochemicznych w cząsteczkach fazy gazowej.

Eksperymentalny protokół dla femtosekundowego NIR/UV - Eksperymenty z pompą i sondą XUV z laserami na swobodnych elektronach

Technika opisana tutaj oferuje tanią i stosunkowo prostą metodę jednoczesnego pomiaru kinematyki cząstek i turbulencji w przepływach o niskich stężeniach cząstek. Turbulencje są mierzone za pomocą prędkości obrazu cząstek (PIV), a kinematyka cząstek jest obliczana na podstawie obrazów uzyskanych za pomocą szybkiej kamery w nakładającym się polu widzenia.

Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Opisano wytwarzanie piezoelektrycznych przetworników grubości poprzez rozpylanie elektrod płytkowych prądem stałym na niobianie litu. Dodatkowo, niezawodna praca jest osiągana dzięki uchwytowi przetwornika i systemowi zasilania płynem, a charakteryzacja jest demonstrowana za pomocą analizy impedancji, laserowej wibrometrii dopplerowskiej, szybkiego obrazowania i rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Wytwarzanie i charakterystyka urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości do atomizacji i akustofluidyki

Poznaj metodę budowy naddźwiękowej armaty pingpongowej i techniki diagnostyki optycznej do pomiaru prędkości kul oraz detekcji fal uderzeniowych. To podejście umożliwia precyzyjne badania zjawisk fizycznych.

Szybka diagnostyka optyczna naddźwiękowego działa pingpongowego

Przeglądaj więcej filmów