Summary

Höghastighets optisk diagnostik av en supersonisk ping-pong-kanon

Published: March 24, 2023
doi:

Summary

Vi beskriver en metod för konstruktion av en supersonisk pingiskanon (SSPPC) tillsammans med optiska diagnostiska tekniker för mätning av kulhastigheter och karakterisering av utbredande chockvågor under avfyrningen av kanonen.

Abstract

Den traditionella pingiskanonen (PPC) är en pedagogisk apparat som skjuter en pingisboll ner i ett evakuerat rör till nästan ljudhastigheter med enbart atmosfärstryck. SSPPC, en förstärkt version av PPC, uppnår supersoniska hastigheter genom att accelerera bollen med större än atmosfärstryck. Vi tillhandahåller instruktioner för konstruktion och användning av en optimerad PPC och SSPPC.

Optisk diagnostik implementeras i syfte att undersöka kanondynamiken. En HeNe-laser som skickas genom två akrylfönster nära rörets utgång avslutas på en fotomottagarsensor. En mikroprocessor mäter den tid som strålen hindras av pingisbollen för att automatiskt beräkna bollens hastighet. Resultaten presenteras omedelbart på en LCD-skärm.

En optisk knivkantsinställning ger ett mycket känsligt sätt att upptäcka chockvågor genom att skära av en bråkdel av HeNe-strålen vid sensorn. Chockvågor orsakar brytningsinducerade avböjningar av strålen, som observeras som små spänningsspikar i den elektriska signalen från fotomottagaren.

De metoder som presenteras är mycket reproducerbara och erbjuder möjlighet till vidare undersökning i laboratoriemiljö.

Introduction

PPC är en populär fysikdemonstration som används för att visa det enorma lufttrycket som människor ständigt utsätts för 1,2,3,4,5. Demonstrationen innebär placering av en pingisboll i en sektion av röret som har en innerdiameter som är ungefär lika med kulans diameter. Röret förseglas i varje ände med tejp och evakueras till ett inre tryck på mindre än 2 Torr. Tejpen i ena änden av röret punkteras, vilket gör att luft kan komma in i kanonen och får bollen att uppleva toppaccelerationer på cirka 5 000 g. Kulan, som accelereras av enbart atmosfärstryck, lämnar kanonen med en hastighet av cirka 300 m / s efter att ha rest 2 m.

Även om PPC vanligtvis drivs som en enkel demonstration av atmosfärstryck, är det också en apparat som uppvisar komplex kompressibel flödesfysik, vilket har resulterat i många öppna studentprojekt. Bollens dynamik påverkas av sekundära faktorer som väggfriktion, läckage av luft runt bollen och bildandet av chockvågor av den accelererande bollen. Den betydande accelerationen av bollen introducerar en kompressionsvåg med stor amplitud som färdas ner i röret framför bollen. Dessa kompressioner färdas snabbare än den lokala ljudhastigheten, vilket resulterar i en brantning av kompressionsvågen och slutligen bildandet av en chockvåg6. Tidigare arbete har studerat den snabba uppbyggnaden av tryck vid rörets utgång på grund av reflektionerna av chockvågen mellan bollen och rörets tejpade utgång och den resulterande lossningen av tejpen före utgången av bollen2. Höghastighetsvideo med en spegel schlieren-bildteknik har avslöjat bandets svar på de reflekterande chockvågorna och den slutliga lossningen av tejpen vid utgången av PPC 7,8 (Video 1). Således fungerar PPC både som en enkel demonstration av lufttryck som fascinerar publik i alla åldrar och som en anordning som uppvisar komplex vätskefysik, som kan studeras i detalj i en laboratorieinställning.

Med standard PPC begränsas pingisbollhastigheterna av ljudets hastighet. Denna grundläggande version av PPC omfattas av detta dokument, tillsammans med en modifierad kanon som används för att öka bollen till supersoniska hastigheter. I tidigare arbete av French et al. har supersoniska pingisbollhastigheter uppnåtts genom att använda tryckdrivet flöde genom ett konvergerande-divergerande munstycke 9,10,11. SSPPC som presenteras här använder ett trycksatt (driv) rör för att ge en större tryckskillnad på pingiskulan än vad som tillhandahålls av atmosfärstryck ensam. Ett tunt polyestermembran används för att separera drivröret från det evakuerade (drivna) röret som innehåller kulan. Detta membran brister under tillräckligt gagetryck (vanligtvis 5-70 psi, beroende på membranets tjocklek), vilket accelererar pingisbollen till hastigheter upp till Mach 1,4. Den supersoniska pingisbollen producerar en stående chockvåg, vilket kan ses med hjälp av höghastighets skugggrafavbildningstekniker 7,12 (Video 2).

En HeNe-laser med låg effekt (klass II) används för att utföra optiska diagnostiska studier på kanonens prestanda. HeNe-laserstrålen är uppdelad i två banor, med en väg som passerar genom en uppsättning akrylfönster nära kanonens utgång och den andra vägen som korsar precis förbi kanonens utgång. Varje bana avslutas på en fotomottagare, och signalen visas på ett dubbelkanals oscilloskop. Oscilloskopspåret som registrerats under avfyrningen av kanonen avslöjar information om både hastigheten på den accelererade pingisbollen och det komprimerbara flödet och chockvågorna som föregår kulans utgång från kanonen. Hastigheten på pingisbollen med en diameter på 40 mm vid varje strålplats är direkt relaterad till den tid då kulan blockerar strålen. En känslig “knivkant” stötdetekteringsinställning uppnås genom att täcka hälften av detektorn med en bit svart elektrisk tejp och placera kanten på tejpen i mitten av strålen2. Med denna inställning är små avböjningar av He-Ne-laserstrålen, som produceras av det komprimerbara flödesinducerade indexet för brytningsgradienter, tydligt synliga som spänningsspikar på oscilloskopspåret. Chockvågorna som färdas mot kanonutgången och de reflekterade chockvågorna avböjer strålen i motsatta riktningar och identifieras därför av antingen en positiv eller negativ spänningsspets.

Här ger vi instruktioner för konstruktion och användning av en optimerad PPC och SSPPC, samt optiska diagnostiska tekniker (figur 1, figur 2 och figur 3). De optiska diagnostiska teknikerna och mätningarna har utvecklats genom tidigare års studie 1,2.

Protocol

1. Byggande och montering av pingiskanonen (PPC) Montera alla komponenter i PPC enligt figur 1. Sätt in två akrylfönster med hög klarhet i kanonens sidor för att möjliggöra optisk sondering över kanonens inre.Borra två 1/2 i hål genom motsatta sidor av PVC nära kanonens utgång. Förbered två 1/8 i tjocka akrylfönster med en lasergraver. Ladda ner de tre kompletterande svg-filerna.Det finns tre filer märkta “JoVE_Acryl…

Representative Results

Här tillhandahåller vi instruktioner för konstruktion och användning av en PPC och en SSPPC, tillsammans med implementeringen av optisk diagnostik för chockkarakterisering och hastighetsmätningar. Representativa experimentella resultat tillhandahålls också. De färdiga systemen för PPC och SSPPC, tillsammans med nödvändiga tillbehör, visas i figur 1 och figur 2. SSPPC är en förstärkt version av PPC, där en drivande, trycksatt rörsektion är ansl…

Discussion

Vi har presenterat en metod för konstruktion av en PPC och en SSPPC tillsammans med optisk diagnostik för mätning av kulhastigheter och för karakterisering av chockutbredning nära kanonens utgång. Standard PPC är konstruerad med en 2 m sektion av 1,5 i schema 80 PVC-rör. Röret är utrustat med flänsar i varje ände, snabbkopplade vakuumbeslag och akrylfönster nära utgången för laserdiagnostik. En detaljerad schematisk bild av PPC visas i figur 1. Före avfyrning sätts en pingi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöds av NSF Division of Undergraduate Education (utmärkelse # 2021157) som en del av IUSE: EHR-programmet

Materials

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

  1. Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. The ping-pong cannon: A closer look. The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).
  2. Olson, G., et al. The role of shock waves in expansion tube accelerators. American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).
  3. Cockman, J. Improved vacuum bazooka. The Physics Teacher. 41 (4), 246-247 (2003).
  4. Ayars, E., Buchholtz, L. Analysis of the vacuum cannon. American Journal of Physics. 72 (7), 961-963 (2004).
  5. 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).
  6. Liepmann, H. W., Roshko, A. . Elements of gas dynamics. , (1957).
  7. Settles, S. . Schlieren and shadowgraph techniques. , (2001).
  8. Geisert, T. A single mirror schlieren optical system. American Journal of Physics. 52 (5), 467 (1984).
  9. French, R. M., Gorrepati, V., Alcorta, E., Jackson, M. The mechanics of a ping-pong ball gun. Experimental Techniques. 32 (1), 24-30 (2008).
  10. French, M., Zehrung, C., Stratton, J. A supersonic ping-pong gun. arXiv. , (2013).
  11. French, F., Choudhuri, R., Stratton, J., Zehrung, C., Huston, D. A modular supersonic ping-pong gun. arXiv. , (2018).
  12. 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).

Play Video

Cite This Article
Barth, T. J., Stein, K. R. High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon. J. Vis. Exp. (193), e64996, doi:10.3791/64996 (2023).

View Video