Summary
אנו מתארים שיטה לבניית תותח פינג פונג על-קולי (SSPPC) יחד עם טכניקות אבחון אופטיות למדידת מהירויות כדור ואפיון גלי הלם מתפשטים במהלך ירי התותח.
Abstract
תותח הפינג-פונג המסורתי (PPC) הוא מנגנון חינוכי המשגר כדור פינג-פונג במורד צינור מפונה למהירויות כמעט קוליות באמצעות לחץ אטמוספרי בלבד. ה-SSPPC, גרסה מוגברת של ה-PPC, משיגה מהירויות על-קוליות על ידי האצת הכדור בלחץ אטמוספרי גדול מהלחץ האטמוספרי. אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו- SSPPC אופטימליים.
דיאגנוסטיקה אופטית מיושמת לצורך חקירת הדינמיקה של התותח. לייזר HeNe הנשלח דרך שני חלונות אקריליים בסמוך ליציאת הצינור מסתיים בחיישן פוטו-מקלט. מיקרו-מעבד מודד את הזמן שבו הקרן נחסמת על ידי כדור הפינג-פונג כדי לחשב באופן אוטומטי את מהירות הכדור. התוצאות מוצגות מיד על צג LCD.
מערך קצה סכין אופטי מספק אמצעי רגיש ביותר לזיהוי גלי הלם על ידי חיתוך חלק קטן מקרן HeNe בחיישן. גלי הלם גורמים לסטיות הנגרמות על ידי שבירה של הקרן, אשר נצפות כקפיצות מתח קטנות באות החשמלי מהקולט.
השיטות המוצגות ניתנות לשחזור רב ומציעות הזדמנות לחקירה נוספת בסביבת מעבדה.
Introduction
PPC היא הדגמה פיזיקלית פופולרית המשמשת כדי להראות את לחץ האוויר העצום שאליו אנשים נחשפים ללא הרף 1,2,3,4,5. ההדגמה כוללת מיקום של כדור פינג פונג בקטע צינור בעל קוטר פנימי השווה בקירוב לקוטר הכדור. הצינור נאטם בכל קצה בנייר דבק ומפונה ללחץ פנימי של פחות מ-2 טור. הסרט בקצה אחד של הצינור מנוקב, מה שמאפשר כניסת אוויר לתותח וגורם לכדור לחוות תאוצות שיא של כ-5,000 גרם. הכדור, המואץ על ידי לחץ אטמוספרי בלבד, יוצא מהתותח במהירות של כ-300 מטר לשנייה לאחר נסיעה של 2 מטר.
למרות PPC מופעל בדרך כלל כהדגמה פשוטה של לחץ אטמוספרי, זה גם מכשיר המציג פיזיקה זרימה דחיסה מורכבת, אשר הביא פרויקטים סטודנטים פתוחים רבים. הדינמיקה של הכדור מושפעת מגורמים משניים כגון חיכוך הקיר, דליפת האוויר סביב הכדור והיווצרות גלי הלם על ידי הכדור המואץ. התאוצה המשמעותית של הכדור מציגה גל דחיסה בעל משרעת גדולה שנע במורד הצינור שלפני הכדור. דחיסות אלה נעות מהר יותר ממהירות הקול המקומית, וכתוצאה מכך תלול גל הדחיסה ובסופו של דבר נוצר גל הלם6. עבודות קודמות חקרו את הצטברות הלחץ המהירה ביציאה מהצינור עקב השתקפויות גל ההלם בין הכדור לבין היציאה המודבקת של הצינור והניתוק שנוצר של הקלטת לפני יציאת הכדור2. וידאו במהירות גבוהה באמצעות טכניקת הדמיה של שלירן במראה אחת חשף את תגובת הקלטת לגלי ההלם המשקפים ואת הניתוק הסופי של הקלטת ביציאה של PPC 7,8 (וידאו 1). לפיכך, ה- PPC משמש הן כהדגמה פשוטה של לחץ אוויר המסקרן קהלים בכל הגילאים והן כמכשיר המציג פיזיקת נוזלים מורכבת, אותה ניתן לחקור בפירוט רב בסביבת מעבדה.
עם PPC סטנדרטי, מהירויות כדור פינג פונג מוגבלות על ידי מהירות הקול. גרסה בסיסית זו של PPC מכוסה בהיקף של מאמר זה, יחד עם תותח שונה המשמש כדי להגביר את הכדור למהירויות קוליות. בעבודה קודמת של פרנץ' ואחרים, מהירויות כדורי פינג-פונג על-קוליים הושגו על ידי ניצול זרימה מונעת לחץ דרך זרבובית מתכנסת 9,10,11. ה- SSPPC המוצג כאן משתמש בצינור לחץ (דרייבר) כדי לספק הפרש לחצים גדול יותר על כדור הפינג פונג מאשר מסופק על ידי לחץ אטמוספרי בלבד. דיאפרגמת פוליאסטר דקה משמשת להפרדת צינור הנהג מהצינור המפונה (מונע) המכיל את הכדור. דיאפרגמה זו נקרעת תחת לחץ גייג' מספיק (בדרך כלל 5-70 psi, תלוי בעובי הסרעפת), ובכך מאיצה את כדור הפינג פונג למהירויות של עד 1.4 מאך. כדור הפינג-פונג העל-קולי מייצר גל הלם עומד, כפי שניתן לראות באמצעות טכניקות הדמיה של גרף צללים במהירות גבוהה 7,12 (וידאו 2).
לייזר HeNe בעל הספק נמוך (Class II) משמש לביצוע מחקרי אבחון אופטיים על ביצועי התותח. קרן הלייזר HeNe מחולקת לשני נתיבים, כאשר נתיב אחד חוצה מערכת חלונות אקריליים בסמוך ליציאת התותח והנתיב השני חוצה ממש מעבר ליציאת התותח. כל נתיב מסתיים במקלט פוטו, והאות מוצג באוסילוסקופ דו-ערוצי. עקבות האוסילוסקופ שנרשמו במהלך ירי התותח חושפות מידע הן על מהירות כדור הפינג-פונג המואץ והן על הזרימה הדחוסה וגלי ההלם שקדמו ליציאת הכדור מהתותח. מהירות כדור הפינג-פונג בקוטר 40 מ"מ בכל מיקום קורה קשורה ישירות לזמן שבו הכדור חוסם את הקורה. מערך זיהוי זעזועים רגיש "קצה סכין" מושג על ידי כיסוי מחצית הגלאי בחתיכת סרט חשמלי שחור ומיקום קצה הסרט במרכז הקרן2. עם הגדרה זו, סטיות קלות של קרן הלייזר He-Ne, המיוצרות על ידי אינדקס זרימה דחוס של שיפועי שבירה, נראים בבירור כקפיצות מתח על עקבות האוסילוסקופ. גלי ההלם הנעים לכיוון יציאת התותח וגלי ההלם המוחזרים מסיטים את הקרן לכיוונים מנוגדים ולכן מזוהים על ידי זינוק מתח חיובי או שלילי.
כאן אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו-SSPPC ממוטבים, כמו גם טכניקות אבחון אופטיות (איור 1, איור 2 ואיור 3). טכניקות האבחון האופטי והמדידות פותחו במהלך שנות מחקר קודמות 1,2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. בנייה והרכבה של תותח פינג פונג (PPC)
- הרכיבו את כל רכיבי ה-PPC לפי איור 1.
- הכנס שני חלונות אקריליים ברורים בצידי התותח כדי לאפשר חיטוט אופטי על פני פנים התותח.
- קדח שני 1/2 חורים דרך צדדים מנוגדים של PVC ליד היציאה של התותח.
- הכינו שני חלונות אקריליים עבים בעובי 1/8 אינץ' באמצעות חריטה בלייזר. הורד את שלושת קבצי svg המשלימים.
הערה: ישנם שלושה קבצים שכותרתם "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(קובץ משלים 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(קובץ משלים 2), ו-"JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
(קובץ משלים 3). יש להשתמש בשלושת הקבצים הללו בסדר המסופק באמצעות התהליך המתואר בכותרת (חריטה/גזירה). יש לקבוע את מהירות הלייזר ואת הגדרות ההספק בהתאם להגדרות המומלצות של היצרן עבור אקריליק. כל שלב חריטה צריך להסיר בערך 1/3 מעובי החומר. - מוסיפים חומר איטום סיליקון לקצה האקריל, נזהרים שלא לעלות על החלון. לאחר מכן, מקמו את החלונות בחורים, וודאו שהם ניצבים זה לזה. השאירו מספיק זמן לסיליקון להחלים לאחר חלק זה של התהליך.
הערה: אם חותך לייזר אינו זמין, ניתן לכרוך פיסת סרט שקוף סביב היקף הצינור כדי לאטום את ה-1/2 בחורים ולשמש כחלון דרך פנים הצינור. ניסויים נוספים יכולים להתבצע על ידי הכנסת חלונות נוספים בתותח כדי למדוד את המהירות והתאוצה של כדור הפינג פונג לאורך הצינור המניע.
- בעזרת סנדל חגורה, חול מעל פני האוגן ביציאה של התותח. סיימו את השיוף עם נייר זכוכית דק כך שהסרט יוכל להיצמד היטב לאוגן.
- בעזרת חותך לייזר, חותכים מכסה אקרילי בעקבות "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (קובץ משלים 4). חברו אטם גומי בעל פנים מלאות למכסה האקרילי. הכובע האקרילי הוא מרכיב של אטם הלחץ המשמש בעת ירי PPC.
- אבטח היטב את התותח לירי, ומקם מיכל יציב כדי לתפוס בבטחה את כדור הפינג פונג עם ריפוד מספיק כדי למזער את הפגיעה עם הקיר האחורי של המכולה.
הערה: ישנם פתרונות רבים לאבטחת תותח הפינג פונג ולתפיסת הכדור בבטחה. עבור הניסוי המוצג, מערכת הידוק מותאמת אישית נוצרה כדי לאבטח היטב את התותח עם כיוון אופקי. מלחציים אלה ניתן לבנות בעקבות "JoVE_CannonMountTemplate.png" (קובץ משלים 5).- השתמש בקובץ משלים 5 כתבנית כדי לחתוך 2 ב x 6 בלוחות עץ. חבר את החלקים העליונים והתחתונים של מערכת ההידוק באמצעות תפס משיכה וציר כדי לאבטח את התותח.
- רפדו את החלק הפנימי של המהדקים בחומר אטם גומי כדי למנוע את החלקת התותח במהלך תהליך הירי. חבר את החלקים העליונים והתחתונים המחוברים של מערכת ההידוק לבסיס באמצעות ארבעה סוגריים פינתיים.
- הרכיבו את מערכת ההידוק שהושלמה על שולחן באמצעות ארבעה מהדקי C. בנו מיכל דיקט בגודל 13 אינץ' על 13 אינץ' על 24 אינץ', וגיבו אותו בארבע יריעות דיקט כדי לתפוס את כדור הפינג פונג. הניחו חומר ריפוד במיכל כדי למנוע ריבאונד כדור. הרכיבו מיכל זה עם מהדקי C על משטח שולחן.
2. בנייה והרכבה של תותח פינג-פונג על-קולי (SSPPC)
- הרכיבו את כל רכיבי צינור הנהג לפי איור 2.
הערה: ההבדל העיקרי בין PPC לבין SSPPC הוא כי SSPPC מתוגבר עם סעיף נהיגה, לחץ של צינור PVC לוח 80 המחובר לכניסה של PPC. לכן, אם PPC כבר נבנה, כל מה שנותר להרכיב כדי לבנות את SSPPC הוא קטע צינור הנהג. - אבטחו היטב את התותח לירי ומקמו מיכל יציב שיכול לתפוס בבטחה את כדור הפינג פונג עם ריפוד נרחב כדי למזער את ההשפעה על הקיר האחורי של המכולה.
הערה: מערכות ההרכבה והתפיסה המתוארות בשלב 1.5 הן אותן מערכות המשמשות לאבטחת SSPPC.
3. אבחון אופטי
- הגדירו את מקלטי הלייזר, מפצל הקרן, המראה ומקלטי האור על-ידי הרכבת הרכיבים על לוח לחם אופטי, לפי איור 3. כיוון הלייזר בניצב לתותח, כאשר הקרן הראשונה חוצה את פנים הצינור דרך חלונות האקריליק והשנייה עוברת ממש מחוץ ליציאת התותח.
- הפעל את מקלטי האור ואת מודול הלייזר על ידי חיבורם לספק כוח מוגבל זרם של 15 V ולספק כוח לייזר. חבר את מקלטי האור לשני ערוצי האוסילוסקופ באמצעות כבלי BNC.
- הניחו סרט חשמלי שחור מעל מחצית מחיישן מקלט הפוטו. הקלטת משמשת כ"קצה סכין" ליצירת מערך זיהוי זעזועים רגיש.
הערה: ניתן לשפר עוד יותר את הרגישות של זיהוי קצה הסכין באמצעות עדשה מתכנסת כדי למקד את הקרן בקצה הסכין. ניתן לשפר את הרגישות גם על ידי הגדלת המרחק שהקרן עוברת למקלט הפוטו, וכתוצאה מכך תזוזה גדולה יותר של הקרן. - לפני הגדרת רמת ההדק באוסילוסקופ, יש לשים לב במיוחד כדי למנוע גזירה, שיכולה לנבוע מהרגישות של מערך קצה הסכין. כדי למנוע גזירה, התאם את מיקום הקרן על קצה הסכין כך שהמתח הבסיסי יהיה כ- 50% מהמתח המרבי. המתח המרבי הוא המתח כאשר הקרן המלאה נמצאת על הגלאי ללא הפרעה.
- התאם את ההגדרות באוסילוסקופ כדי לאסוף 20 מיליון נקודות נתונים. הגדר את קצב איסוף הנתונים ל- 500 MHz על-ידי התאמת ידית קנה המידה האופקי. סובב את ידית ההדק כדי לנוע במתח מעט נמוך מהמתח הבסיסי המתקבל ממקלט הפוטו.
הערה: ניתן למצוא את מהירות כדור הפינג-פונג באמצעות מתמטיקה פשוטה באמצעות מודולי מקלט התמונות. המהירות היא קוטרו של כדור הפינג-פונג חלקי הזמן שבו הקרן נחסמה על ידי הכדור. מיקרו-מעבד משמש לעיבוד האות המתקבל ממודול מקלט האור הפנימי כדי למדוד באופן אוטומטי את מהירות הכדור בקצה התותח.
- התאם את ההגדרות באוסילוסקופ כדי לאסוף 20 מיליון נקודות נתונים. הגדר את קצב איסוף הנתונים ל- 500 MHz על-ידי התאמת ידית קנה המידה האופקי. סובב את ידית ההדק כדי לנוע במתח מעט נמוך מהמתח הבסיסי המתקבל ממקלט הפוטו.
4. מדידות מהירות אוטומטיות
- כדי להשתמש במיקרו-מעבד למדידות מהירות אוטומטיות, המירו את האות ממודול מקלט האור לפעימה של 0-5 וולט, כפי שמוצג באיור 5, באמצעות משווה שמפעיל בערך 10% מהמתח הבסיסי. חבר את האות שהומר ליציאה 7 של המיקרו-מעבד.
- הורד את "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (קובץ משלים 6), והעלה אותו למיקרו-מעבד.
- חבר את צג RA8875 ואת לוח ההתקן ליציאות הייעודיות במיקרו-מעבד.
5. הקמה וירי של תותח פינג פונג
- שימו מגן על האוזן והעיניים לפני שאתם יורים בתותח.
- הכניסו כדור פינג פונג ליציאת התותח. נושפים קלות בקצה התותח עד שהכדור פוגע בחלל הוואקום הסמוך לפתח הצינור.
- הצמידו 3 אינץ' x 3 בריבוע נייר דבק על האוגן בקצה היוצא של התותח וריבוע שני על מכסה אקריליק. אטמו את הסרט כך שיידבק לפני השטח של האוגן והכובע.
הערה: אם יש קמטים או בועות גדולות, יש להשליך את הקלטת. אם הקלטת אינה נצמדת מספיק לפני השטח, הוואקום יכול ללכת לאיבוד, והתותח יכול לירות בטרם עת. אם בשלב כלשהו הוואקום אובד, ניתן לפתוח את שסתום המחט המחובר למשאבת הוואקום כדי להביא את המערכת לשיווי משקל. - ודא שקרן הלייזר ממורכזת בקצה הסכין, שההדק מוגדר כראוי ומיכל התפיסה מאובטח.
- הפעל את משאבת הוואקום כדי לפנות את הצינור ללחץ מוחלט מופחת של פחות מ -2 טור. לאחר שהושג ואקום מספיק, נקב את הסרט בכניסה עם חפץ חד כגון ראש רחב או קצה גילוח.
- לאחר הירי, כבה את משאבת הוואקום. הסר את הסרט מאוגן היציאה ומהמכסה האקרילי.
6. הקמה וירי של תותח פינג-פונג על-קולי
- למען בטיחות, יש ללבוש שמיעה והגנה על העיניים לאורך כל תהליך הירי.
- גיליונות חתוכים של 0.0005 אינץ', 0.001 אינץ' ו- 0.002 בסרט פוליאסטר התואמים את מידות האוגן. יריעות אלה ניתן לחתוך ביד או, רצוי, באמצעות חותך לייזר. השתמש בקובץ המשלים "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (קובץ משלים 7) כחלוקה לרמות.
הערה: לצורך ניסוי זה, התותח נורה ביריעות בודדות של 0.0005 אינץ', 0.001 אינץ' ו-0.002 בסרט פוליאסטר, והתוצאות מתועדות באיור 7. תבנית לחיתוך בלייזר של סרט הפוליאסטר ניתן למצוא כקובץ SVG (קובץ משלים 7). - ודא שהשסתום ממדחס האוויר לצינור הנהג סגור. מלא מראש את מדחס האוויר כדי לאפשר מילוי מהיר יותר של צינור הנהג כאשר התותח מוכן לירי.
- הכניסו כדור פינג פונג ליציאת התותח. נושפים קלות לתוך קצה התותח עד שהכדור נעצר על ידי הוואקום המתאים ליד פתח הצינור המניע.
- הצמידו 3 אינץ' x 3 בריבוע נייר דבק לקצה היוצא של התותח. אטמו את הסרט כך שיידבק לפני השטח של האוגן.
הערה: אם יש קמטים או בועות גדולות, יש להשליך את הקלטת. אם הקלטת אינה נצמדת מספיק לפני השטח, הוואקום יכול ללכת לאיבוד, והתותח יכול לירות בטרם עת. אם מתעוררות דליפות ואקום או סיבוכים אחרים, השתמש בשסתום שחרור הלחץ בצינור הנהג ובשסתום המחט במשאבת הוואקום כדי להביא את המערכת לשיווי משקל. - הכנס דיאפרגמת פוליאסטר דקה חתוכה מראש בין שני אטמי גומי. הניחו את הסרעפת ואטמי הגומי בין הנהג לחלקים המניעים של התותח. חבר היטב את שני החלקים באמצעות 4 מלחציים פקה.
- ודא שקרן הלייזר ממורכזת בקצה הסכין, שההדק מוגדר כראוי ומיכל התפיסה מאובטח.
- הפעל את משאבת הוואקום כדי לפנות את הצינור ללחץ מוחלט מופחת של פחות מ -2 טור. שחרר את הלחץ ממדחס האוויר לתוך צינור הנהג. אפשרו ללחץ לעלות עד שהסרעפת תתפוצץ והאוויר הדחוס בתוך צינור הנהג ימלא במהירות את הצינור המונע המפונה.
- לאחר ירי התותח, כבו את מדחס האוויר ואת משאבת הוואקום. הסר את הסרעפת וסרט הפוליאסטר שהתפוצצו מהתותח.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כאן, אנו מספקים הוראות לבנייה וניצול של PPC ו- SSPPC, יחד עם יישום הדיאגנוסטיקה האופטית לאפיון זעזועים ומדידות מהירות. תוצאות ניסוי מייצגות מסופקות גם כן. המערכות שהושלמו של PPC ו-SSPPC, יחד עם האביזרים הדרושים, מוצגות באיור 1 ובאיור 2. SSPPC הוא גרסה מוגברת של PPC, שבו קטע נהיגה, לחץ של צינור מחובר צינור מונע של PPC. מערך האבחון האופטי לזיהוי קצה סכין של גלי הלם ומדידות מהירות של כדורי פינג-פונג מוצג באיור 3. מעקב אוסצילוסקופ לדוגמה המדגים את יעילות הדיאגנוסטיקה האופטית לאפיון זעזועים ומדידות מהירות מוצג באיור 4, יחד עם שרטוטים קונספטואליים המראים את תנועת הכדור ואת גלי ההלם המחזירים המתאימים לעקבות האוסילוסקופ. האותות הגולמיים והמעובדים המתקבלים על-ידי המיקרו-מעבד, יחד עם תיאור חישובי המהירות המוצגים על-ידי LCD, מוצגים באיור 5. עקבות אוסצילוסקופ דו-ערוצי מייצג משריפה מוצלחת של SSPPC מוצגות באיור 6. עקבות האוסילוסקופ מדגימות את יעילותו של מערך קצה הסכין לזיהוי גלי הלם בתוך וממש מעבר ליציאת התותח. העקבות מציגות גם חתך ברור באות כאשר הכדור עובר, המשמש לחישובי מהירות כדור מדויקים. בוצעו בדיקות לירי של SSPPC בתנאי קרע בסרעפת שונים. המתאם בין מהירויות כדורי הפינג-פונג לבין תנאי הקרע בסרעפת SSPPC מתואר באיור 7.
איור 1: סכמה של תותח פינג-פונג סטנדרטי. איור זה מציג את ההגדרה והפריסה של תותח הפינג פונג הסטנדרטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: סכמה של תותח פינג-פונג על-קולי. איור זה מציג את ההתקנה והפריסה של תותח הפינג-פונג העל-קולי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: סכמה של הגדרת חומרת האבחון האופטי. איור זה מציג את ההגדרה והפריסה של הרכיבים למדידת אבחון אופטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: עקבות אוסצילוסקופ מייצגים עם התפשטות מאוירת של גלי הלם. איור זה מתאר גל הלם מתפשט המשתקף לאורך כל תהליך הירי של התותח, המיוצג על ידי שינוי במתח ביחס לזמן. חמש התמונות של התותח מציגות את כיוון התפשטות ההלם בשילוב עם מיקום הכדור בתותח. כיוון גל ההלם נקבע על ידי זינוק חיובי או שלילי באות. ניתן למדוד את המהירות באמצעות רוחב הפולס ה"מרובע" הנגרם על ידי חיתוך הכדור את הקורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: המרת אותות מיקרו-מעבד ותצוגה. כאן, אנו מראים את עקבות מקלט האור בחישה פנימית שנגרם על ידי צילום טיפוסי של PPC. הדופק שנגרם על ידי הכדור הנוסע הופך על ידי משווה, רעש נוסף מוסר, ומסילה ל 0 V ו 5 V כך שהוא יכול להיקרא בקלות על ידי המיקרו. רוחב הדופק הריבועי המעובד נקרא על ידי המיקרו-מעבד ומשמש לחישוב המהירות, המוצגת לאחר מכן ב- LCD. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: מעקב אוסצילוסקופ מייצג לירי SSPPC. עקבות האוסילוסקופ הדו-ערוצי מראות את אות קצה הסכין עבור הקורות החוצות את האזורים הפנימיים (אדום) והחיצוניים (כחולים) בסמוך ליציאת התותח. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: תלות מהירויות היציאה של כדור פינג-פונג SSPPC בתנאי הקרע בסרעפת. ה-SSPPC פוטר בשל סדרה של תיקים שהשתמשו ביריעות בודדות של 0.0005 אינץ', 0.001 אינץ' ו-0.002 בסרט פוליאסטר. הפרש הלחצים של הממברנה בעת הקרע שורטט לעומת מספר המאך עבור כל מקרה. התותח נורה שמונה פעמים לכל עובי הסרעפת, ופסי השגיאה האנכיים והאופקיים מייצגים את שגיאת התקן בלחץ הדיפרנציאלי ובמספר המאך, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
וידאו 1: טכניקת הדמיה של שלירן. הסרטון חושף את תגובת הקלטת לגלי ההלם המשקפים ואת ניתוקה הסופי של הקלטת ביציאה מה-PPC. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
וידאו 2: טכניקת הדמיה של גרף צל במהירות גבוהה. כדור הפינג-פונג העל-קולי מייצר גל הלם עומד. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
קובץ משלים 1: JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 2: JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 3: JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 4: JoVE_AcrylicCap_Cut.svg אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 5: JoVE_CannonMountTemplate.png אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 6: JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 7: JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הצגנו שיטה לבניית PPC ו-SSPPC יחד עם דיאגנוסטיקה אופטית למדידת מהירויות כדוריות ולאפיון התפשטות זעזועים בסמוך ליציאת התותח. PPC סטנדרטי בנוי עם קטע 2 מ 'של 1.5 בלוח 80 PVC צינור. הצינור מצויד באוגנים בכל קצה, אביזרי ואקום לחיבור מהיר וחלונות אקריליים בסמוך ליציאה לצורך אבחון לייזר. סכמה מפורטת של PPC מוצגת באיור 1. לפני הירי מכניסים כדור פינג פונג לתותח, והקצוות אטומים. קצה היציאה נאטם על ידי נייר דבק ישירות על האוגן. בקצה השני של הצינור, נייר דבק מאובטח מעל מכסה אקרילי עם מגרעת 1.5 אינץ ', ואת הצינור אטום באמצעות מכסה אקריליק עם אטם גומי. ה- PPC מאובטח היטב, ומיכל יציב ממוקם כדי לתפוס בבטחה את כדור הפינג פונג. ירי התותח מתבצע על ידי פינוי הצינור ללחץ אבסולוטי מופחת של פחות מ-2 טור, וניקוב התותח בחפץ חד. ה- SSPPC הוא מבנה מוגבר של PPC המייצר תאוצות מוגברות ומהירויות כדור פינג פונג על-קוליות על ידי אבטחת קטע לחץ של 4 בצינור PVC לוח זמנים 80 ל- PPC הסטנדרטי. סכמה מפורטת של SSPPC מוצגת באיור 2. קצה אחד של צינור הלחץ אטום עם מכסה, ואילו הקצה השני מחובר ל- PPC עם צימוד ואוגן מפחיתים. הצינור בלחץ מצויד במד לחץ של 1-100 psi, אביזרי חיבור מהיר למדחס אוויר ושסתום לשחרור לחץ בטיחות. לפני הירי, הכדור מוכנס לתוך התותח וקצה היציאה נאטם על ידי נייר דבק על האוגן. לאחר מכן, קטעי הנהג וההנעה מחוברים היטב עם דיאפרגמת פוליאסטר דקה ואטם גומי ביניהם. ה- SSPPC מאובטח, ומיכל יציב ממוקם כדי לתפוס בבטחה את כדור הפינג פונג. לאחר הפחתת הלחץ בצינור המניע לפחות מ -2 טור, התותח נורה על ידי שחרור לחץ ממדחס האוויר לתוך צינור הנהג עד שהסרעפת מתפוצצת.
הדיאגנוסטיקה האופטית בקצה הסכין מותקנת על לוח לחם אופטי עם לייזר, מפצל קרן, מראה ושני מקלטי צילום, כפי שמוצג באיור 3. הלייזר מכוון בניצב לתותח, כאשר קרן אחת חוצה את פנים הצינור דרך חלונות האקריליק וקרן אחרת (ממפצל הקורה) עוברת ממש מעבר ליציאת התותח. עוצמות האלומות נאספות על ידי שני מודולי מקלט אור, והאות מוצג באוסילוסקופ דיגיטלי דו-ערוצי. סרט חשמלי שחור מונח על חיישני מקלט האור כדי לחסום כמחצית מכל אלומה. הסרט משמש כקצה סכין ומגביר את הרגישות לזיהוי סטיות רוחביות קטנות הנוצרות על ידי גלי הלם או שינויי צפיפות אחרים בזרימה. הנתונים מהפוטו-מקלטי נרשמים אוטומטית כאשר התותח נורה על ידי הפעלת האוסילוסקופ כאשר הכדור חוצה את הקרן הראשונה. לפני קביעת רמת ההדק על האוסילוסקופ, יש לנקוט בזהירות מיוחדת כדי למנוע גזירה, אשר יכולה לנבוע מהרגישות של מערכת קצה הסכין. ניתן להימנע מחיתוך על ידי התאמת מיקום הקרן על קצה הסכין כך שמתח קו הבסיס יהיה כ-50% מהמתח המרבי. מהירויות כדור הפינג-פונג מחושבות באמצעות העקבות ממודולי מקלט הפוטו. חישוב פשוט ומדויק של המהירות נעשה על ידי חלוקת קוטר כדור הפינג פונג עד לחסימת הקרן על ידי הכדור. מיקרו-מעבד משמש לעיבוד האות המתקבל מהקרן החוצה את פנים הצינור כדי לחשב ולהציג באופן אוטומטי את מהירות הכדור בסמוך ליציאת התותח.
התוצאות של שיטה זו ניתנות לשחזור רב ומספקות תצוגה דיגיטלית מיידית של מהירויות כדור הפינג פונג, מה שמשפר את ערכו של התותח כמכשיר הדגמה. עקבות האוסילוסקופ המשתמשות במערך קצה הסכין מכילות תיאור חזותי עשיר של הזרימה הדחוסה וגלי ההלם הקשורים לתותח. שיטה זו מתמקדת בניסוי המושפע מגורמים משניים רבים שניתן לחקור עוד יותר בסביבת מעבדה, כגון חיכוך קירות, דליפת אוויר סביב הכדור, היווצרות גלי הלם על ידי הכדור המואץ, הצטברות מהירה של לחץ הנוצר על ידי השתקפות גלי הלם בין הכדור ליציאה המודבקת, והניתוק הבא של הקלטת לפני יציאת הכדור. עקבות אוסצילוסקופ מייצגות מהירי של SSPPC מוצגות באיור 6. העקבות העליונות באיור מתאימות לקורה החוצה את פנים התותח ליד היציאה. העקבות התחתונות מתאימות לקורה שחוצה את דרכו של כדור הפינג-פונג מיד לאחר היציאה מתותח. חתך ברור באות ניכר כאשר הכדור חולף על פניו וחוסם כל קרן. קפיצות מתח לפני מעבר הכדור, המוכנסות על ידי גלי הלם מתפשטים, משופרות על ידי מערך זיהוי קצה הסכין וניתן לראות אותן על כל עקבות. קפיצות המתח העוקבות בעקבה העליונה מתהפכות עקב השתקפות גלי ההלם בתוך התותח בין הכדור לקלטת. לעומת זאת, כל קפיצת מתח על העקבה התחתונה היא באותו כיוון מכיוון שגלי ההלם מחוץ לתותח אינם משתקפים ועוברים דרך הקרן החיצונית בפעם השנייה.
בנוסף לניסויים שהוצגו, ניתן לתכנן פרויקטי המשך של סטודנטים כדי לספק שליטה נוספת על תנאי הבדיקה במהלך ירי התותח. לדוגמה, SSPPC הנוכחי יורה על קרע טבעי של הסרעפת לאחר הפרש לחצים מספיק מצטבר בין שני חלקי הצינור. פיתוח מנגנון קרע מבוקר על ידי המשתמש שיופעל על ידי המשתמש או מופעל אוטומטית בלחץ הנהג הרצוי יאפשר דיוק רב יותר בשליטה על תנאי המבחן. פרויקטי המשך אחרים יכולים להיות מכוונים למדידת מהירות כדור הפינג-פונג במספר מיקומים בירי יחיד של התותח כדי לספק תיאור מלא יותר של המהירות והתאוצה של הכדור כשהוא נע במורד הצינור. מדידות מהירות ב-PPC כפונקציה של מיקום נחקרו בעבר, אך עם כל נקודת נתוני מהירות המתקבלת מירי נפרד של PPC1.
תותח הפינג פונג ימשיך להיות הדגמה שמייצרת סקרנות וסקרנות לקהלים מכל הגילאים והסוגים. פיזיקת הנוזלים המורכבת שמציג התותח תמשיך לספק היצע בלתי מוגבל לכאורה של מחקרי המשך שניתן לחקור בפרויקטים של פיזיקה ומעבדה הנדסית. בכיתה הוא ימשיך לשמש כהפגנה עממית המעוררת התרגשות וסקרנות לגבי עוצמת הלחץ האטמוספרי. אנו צופים כי השיטות לבניית SSPPC והאבחון האופטי שהצגנו ישפרו את ערכו של התותח הן כמכשיר הדגמה והן כמכשיר שימושי לניסויי מעבדה מרגשים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכת על ידי חטיבת NSF לחינוך לתואר ראשון (פרס # 2021157) כחלק מתוכנית IUSE: EHR
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 15 V Current Limited Power Supply | New Focus | 0901 | Quantity: 1 |
| 2" x 6" Plank | Home Depot | BTR KD-HT S | Quantity: 1 |
| 5.0" 40-pin 800 x 480 TFT Display | Adafruit | 1680 | Quantity: 1 |
| Absolute Pressure Gauge | McMaster-Carr | 1791T3 | 0–20 Torr | Quantity: 1 |
| Air Compressor | Porter Cable | C2002 | 6 gallon | Quantity: 1 |
| Arduino UNO Rev3 | Arduino | A000066 | Quantity: 1 |
| ASME-Code Fast-Acting Pressure-Relief Valve for Air |
McMaster-Carr | 5784T13 | Nickel-Plated, 3/8 NPT, 125 PSI Set Pressure | Quantity: 1 |
| Black Electrical Tape | McMaster-Carr | 76455A21 | Quantity: 1 |
| BNC Cable | Digikey Number | 115-095-850-277M050-ND | Quantity: 2 |
| Broadband Dielectric Mirror | THORLABS | BB05-E02 | 400–750 nm, Ø1/2" | Quantity: 1 |
| C-Clamp | McMaster-Carr | 5133A15 | 3" opening, 2" reach | Quantity: 6 |
| Cam Clamp | Rockler | 58252 | Size: 5/16"-18 | Quantity: 2 (2 pack) |
| Digital Pressure Gauge | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0–100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Quantity: 1 |
| Digital Pressure Gauge | Omega Engineering, Inc. | DPG104S | 0–100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Quantity: 1 |
| Draw Latch | McMaster-Carr | 1889A37 | Size: 3 3/4" x 7/8" | Quantity: 4 |
| Driver Board for 40-pin TFT Touch Displays | Adafruit | 1590 | Quantity: 1 |
| Full Faced EPDM Gasket | PVC Fittings Online | 155G125125FF150 | Quantity: 2 |
| Gasket Material | McMaster-Carr | 9470K41 | 15" x 15", 1/8" thick | Quantity: 1 |
| Glowforge Plus | Glowforge | Glowforge Plus | Quantity: 1 |
| HeNe Laser | Uniphase | 1108 | Class 2 | Quantity: 1 |
| High Tack Box Sealing Tape | Scotch | 53344 | 72 mm wide |
| Laser Power Supply | Uniphase | 1201-1 | 115 V .12 A | Quantity: 1 |
| LM311 Comparator | Digikey Electronics | 296-1389-5-ND | Quantity: 1 |
| Mirror Mount | THORLABS | FMP05 | Fixed Ø1/2", 8–32 Tap | Quantity: 1 |
| Moisture-Resistant Polyester Film | McMaster-Carr | 8567K102 | 10' x 0.0005" x 27" | Quantity: 1 |
| Moisture-Resistant Polyester Film | McMaster-Carr | 8567K12 | 10' x 0.001" x 40" | Quantity: 1 |
| Moisture-Resistant Polyester Film | McMaster-Carr | 8567K22 | 10' x 0.002" x 40" | Quantity: 1 |
| Mourtise-Mount Hinge with Holes | McMaster-Carr | 1598A52 | Size: 1" x 1/2" | Quantity: 4 |
| Needle Valve | Robbins Aviation Inc | INSG103-1P | Quantity: 1 |
| Non-Polarizing Cube Beamsplitters | THORLABS | BS037 | Size: 10 mm | Quantity: 2 |
| Nonmetallic PVC Schedule 40 | Cantex | A52BE12 | Quantity: 2.5 m |
| Oatey PVC Cement and Primer | PVC Fittings Online | 30246 | Quantity: 1 |
| Oil-Resistant Compressible Buna-N Gasket with Holes and Adhesive | McMaster-Carr | 8516T454 | 1-1/2 Pipe Size, ANSI 150, 1/16" Thick | Quantity: 1 |
| Oscilliscope | Tektronix | TBS2102 | Quantity: 1 |
| Photoreceiver | New Focus | 1801 | 125-MHz | Quantity: 2 |
| Ping Pong Balls | MAPOL | FBA_MP-001 | Three Star |
| Platform Mount for 10mm Beamsplitter and Right-Angle Prisms | THORLABS | BSH10 | 4-40 Tap | Quantity: 1 |
| Proofgrade High Clarity Clear Acrylic | Glowforge | NA | Thickness: 1/8" | Quantity: 1 |
| Sch 80 PVC Cap | PVC Fittings Online | 847-040 | Size: 4" | Quantity: 1 |
| Sch 80 PVC Pipe | PVC Fittings Online | 8008-040AB-5 | Quantity: 5 ft |
| Sch 80 PVC Reducer Coupling | PVC Fittings Online | 829-419 | Size: 4" x 1-1/2" | Quantity: 1 |
| Sch 80 PVC Slip Flange | PVC Fittings Online | 851-015 | Size: 1 1/2" | Quantity: 3 |
| Silicone Sealant Dow Corning | McMaster-Carr | 7587A2 | 3 oz. Tube, Clear | Quantity: 1 |
| Steel Corner Bracket | McMaster-Carr | 1556A42 | Size: 1 1/2" x 1 1/2" x 1/2" | Quantity: 16 |
| Vacuum Pump | Mastercool | MSC-90059-MD | 1 Stage, 1.5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ |
References
- 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).
- Cockman, J.
- Ayars, E., Buchholtz, L.
- Thuecks, D. J., Demas, H. A. Modeling the effect of air-intake aperture size in the ping-pong ball cannon. American Journal of Physics. 87 (2), 136-140 (2019).
- Liepmann, H. W., Roshko, A. Elements of gas dynamics. , Wiley. New York, NY. (1957).
- Settles, S. Schlieren and shadowgraph techniques. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin, Germany. (2001).
- Geisert, T. A single mirror schlieren optical system. American Journal of Physics. 52 (5), 467 (1984).
- French, R. M., Gorrepati, V., Alcorta, E., Jackson, M. The mechanics of a ping-pong ball gun. Experimental Techniques. 32 (1), 24-30 (2008).
- French, M., Zehrung, C., Stratton, J.
- French, F., Choudhuri, R., Stratton, J., Zehrung, C., Huston, D. A modular supersonic ping-pong gun. arXiv. , (2018).
- Fredrick, C. D., et al. Complementary studies on supersonic nozzle flow: heterodyne interferometry, high-speed video shadowgraphy, and numerical simulation. WIT Transactions on Modelling and Simulation. 59, 223-234 (2015).
