Descrevemos um método para a construção de um canhão supersônico de pingue-pongue (SSPPC) juntamente com técnicas de diagnóstico óptico para a medição da velocidade da bola e a caracterização da propagação de ondas de choque durante o disparo do canhão.
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Artigo de método
Diagnóstico óptico de alta velocidade de um canhão de pingue-pongue supersônico
* These authors contributed equally
Neste artigo
Resumo
Resumo
O canhão de pingue-pongue tradicional (PPC) é um aparato educacional que lança uma bola de pingue-pongue por um tubo evacuado a velocidades quase sônicas usando apenas a pressão atmosférica. O SSPPC, uma versão aumentada do PPC, atinge velocidades supersônicas acelerando a bola com pressão maior do que a atmosférica. Fornecemos instruções para a construção e utilização de um PPC e SSPPC otimizados.
Diagnósticos ópticos são implementados com o propósito de investigar a dinâmica do canhão. Um laser HeNe que é enviado através de duas janelas de acrílico perto da saída do tubo é terminado em um sensor fotorreceptor. Um microprocessador mede o tempo que o feixe é obstruído pela bola de pingue-pongue para calcular automaticamente a velocidade da bola. Os resultados são imediatamente apresentados em um display LCD.
Uma configuração óptica de ponta de faca fornece um meio altamente sensível de detectar ondas de choque, cortando uma fração do feixe HeNe no sensor. As ondas de choque causam deflexões induzidas por refração do feixe, que são observadas como pequenos picos de tensão no sinal elétrico do fotorreceptor.
Os métodos apresentados são altamente reprodutíveis e oferecem a oportunidade de investigações adicionais em laboratório.
Introdução
A CPP é uma demonstração física popular usada para mostrar a imensa pressão do ar à qual as pessoas estão continuamente expostas 1,2,3,4,5. A demonstração envolve a colocação de uma bola de pingue-pongue em uma seção de tubo que tem um diâmetro interno que é aproximadamente igual ao diâmetro da bola. O tubo é selado em cada extremidade com fita adesiva e evacuado para uma pressão interna inferior a 2 Torr. A fita em uma das extremidades do tubo é perfurada, o que permite que o ar entre no canhão e faz com q....
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Protocolo
1. Construção e montagem do canhão de pingue-pongue (PPC)
- Monte todos os componentes do PPC de acordo com a Figura 1.
- Insira duas janelas de acrílico de alta claridade nas laterais do canhão para permitir a sondagem óptica em todo o interior do canhão.
- Faça dois furos 1/2 em lados opostos do PVC perto da saída do canhão.
- Prepare dois 1/8 em janelas grossas de acrílico usando um gravador a laser. Faça o download dos três arquivos svg suplementares.
Observação : há três arquivos rotulados "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(Arquivo Suplementar 1), "JoVE_Acryl....
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Resultados
Aqui, fornecemos instruções para a construção e utilização de um PPC e um SSPPC, juntamente com a implementação do diagnóstico óptico para caracterização de choques e medições de velocidade. Resultados experimentais representativos também são fornecidos. Os sistemas completos do PPC e SSPPC, juntamente com os acessórios necessários, são mostrados na Figura 1 e na Figura 2. O SSPPC é uma versão aumentada do PPC, onde uma seção pressurizada de condução do tubo é c.......
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Discussão
Apresentamos um método para a construção de um CPP e um CPSS, juntamente com diagnósticos ópticos para a medição das velocidades das esferas e para a caracterização da propagação do choque próximo à saída do canhão. O PPC padrão é construído com uma seção de 2 m de 1,5 em tubo de PVC de programação 80. O tubo é equipado com flanges em cada extremidade, conexões de vácuo de conexão rápida e janelas de acrílico perto da saída para diagnóstico a laser. Um esquema detalhado do CPP é mostrado na Figura 1<.......
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Divulgações
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecimentos
Este trabalho é apoiado pela Divisão de Ensino de Graduação da NSF (prêmio # 2021157) como parte do programa IUSE: EHR
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Fonte de Alimentação Limitada de Corrente de 15 V | New Focus | 0901 | Quantidade: 1 |
| 2" x 6" Plank | Home Depot | BTR KD-HT S | Quantidade: 1 |
| Display TFT de 5.0" 40-pin 800 x 480 | Adafruit | 1680 | Quantidade: 1 |
| Manômetro de Pressão Absoluta | McMaster-Carr | 1791T3 | 0– 20 Torr | Quantidade: 1 |
| Compressor de Ar | Porter Cable | C2002 | 6 galões | Quantidade: 1 |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | Quantidade: 1 |
| Válvula de Alívio de Pressão de Ação Rápida ASME-Code para Air | McMaster-Carr | 5784T13 | Niquelado, 3/8 NPT, 125 PSI Pressão de Ajuste | Quantidade: 1 |
| Fita Elétrica Preta | McMaster-Carr | 76455A21 | Quantidade: 1 |
| Cabo BNC | Número Digikey | 115-095-850-277M050-ND | Quantidade: 2 |
| Espelho Dielétrico de Banda Larga | THORLABS | BB05-E02 | 400– 750 nm, Ø 1/2" | Quantidade: 1 |
| C-Clamp | McMaster-Carr | 5133A15 | 3" de abertura, 2" de alcance | Quantidade: 6 |
| Cam Clamp | Rockler | 58252 | Tamanho: 5/16"-18 | Quantidade: 2 (2 pacotes) |
| Manômetro Digital | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0– Pressão absoluta de 100 psi, com saída e alarmes | Quantidade: 1 |
| Manômetro Digital | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0– Pressão absoluta de 100 psi, com saída e alarmes | Quantidade: 1 |
| Trinco de Tração | McMaster-Carr | 1889A37 | Tamanho: 3 3/4" x 7/8" | Quantidade: 4 |
| Placas de Driver para Displays de Toque TFT de 40 pinos | Adafruit | 1590 | Quantidade: 1 |
| Junta EPDM de Face Completa | PVC Fittings Online | 155G125125FF150 | Quantidade: 2 |
| Material da Junta | McMaster-Carr | 9470K41 | 15" x 15", 1/8" de espessura | Quantidade: 1 |
| Glowforge Plus | Glowforge | Glowforge Plus | Quantidade: 1 |
| HeNe Laser | Uniphase | 1108 | Classe 2 | Quantidade: 1 |
| Fita de Vedação de Caixa de Alta Aderência | Scotch | 53344 | 72 mm de largura |
| Fonte de alimentação a laser | Uniphase | 1201-1 | 115 V .12 A | Quantidade: 1 |
| LM311 Comparador | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | Quantidade: 1 |
| Suporte de Espelho | THORLABS | FMP05 | Fixo & Oslash; 1/2", 8– 32 Toque em | Quantidade: 1 |
| Filme de Poliéster Resistente à Umidade | McMaster-Carr | 8567K102 | 10' x 0.0005" x 27" | Quantidade: 1 |
| Filme de Poliéster Resistente à Umidade | McMaster-Carr | 8567K12 | 10' x 0.001" x 40" | Quantidade: 1 |
| Filme de Poliéster Resistente à Umidade | McMaster-Carr | 8567K22 | 10' x 0.002" x 40" | Quantidade: 1 |
| Dobradiça de Montagem Mourtise com Furos | McMaster-Carr | 1598A52 | Tamanho: 1" x 1/2" | Quantidade: 4 |
| Válvulas de Agulha | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | Quantidade: 1 |
| Divisores de Feixe de Cubo Não Polarizadores | THORLABS | BS037 | Tamanho: 10 mm | Quantidade: 2 |
| PVC não metálico Schedule 40 | Cantex | A52BE12 | Quantidade: 2,5 m |
| Conexões de PVC de Cimento e Primer | PVC Oatey Online | 30246 | Quantidade: 1 |
| Junta Buna-N Compressível Resistente a Óleo com Furos e Adesivo | McMaster-Carr | 8516T454 | 1-1/2 Tamanho do Tubo, ANSI 150, 1/16" de Espessura | Quantidade: 1 |
| Osciloscópio | Tektronix | TBS2102 | Quantidade: 1 |
| Fotorreceptor | Novo Focus | 1801 | 125-MHz | Quantidade: 2 |
| Bolas de Ping Pong | MAPOL | FBA_MP-001 Montagem em Plataforma de | Três Estrelas |
| para Divisor de Feixe de 10mm e Prismas de Ângulo Reto | THORLABS | BSH10 | 4-40 Tap | Quantidade: 1 |
| Proofgrade High Clarity Clear Acrylic | Glowforge | NA | Espessura: 1/8" | Quantidade: 1 |
| Sch 80 PVC Cap | PVC Fittings Online | 847-040 | Tamanho: 4" | Quantidade: 1 |
| Conexões de PVC para Tubo de PVC Sch 80 | Online | 8008-040AB-5 | Quantidade: 5 pés |
| Acoplamento Redutor de PVC Sch 80 | Conexões Online | 829-419 | Tamanho: 4" x 1-1/2" | Quantidade: 1 |
| Sch 80 PVC Slip Flange | PVC Fittings Online | 851-015 | Tamanho: 1 1/2" | Quantidade: 3 |
| Selantes de Silicone Dow Corning | McMaster-Carr | 7587A2 Tubo | 3 oz., Transparente | Quantidade: 1 |
| Suporte de Canto de Aço | McMaster-Carr | 1556A42 | Tamanho: 1 1/2" x 1 1/2" x 1/2" | Quantidade: 16 |
| Bomba de Vácuo | Mastercool | MSC-90059-MD | 1 Estágio, 1,5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ |
Referências
- 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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Reimpressões e permissões
