우리는 공의 속도 측정 및 대포 발사 중 전파되는 충격파의 특성화를위한 광학 진단 기술과 함께 초음속 탁구 대포 (SSPPC)의 구성 방법을 설명합니다.
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이 논문에서
요약
초록
전통적인 탁구 대포(PPC)는 대기압만을 사용하여 거의 음속으로 진공을 진공으로 발사하는 교육 장치입니다. PPC의 증강 버전인 SSPPC는 대기압보다 큰 압력으로 공을 가속하여 초음속을 달성합니다. 최적화된 PPC 및 SSPPC의 구성 및 활용에 대한 지침을 제공합니다.
광학 진단은 대포 역학을 조사하기 위해 구현됩니다. 파이프 출구 근처에 있는 두 개의 아크릴 창을 통해 전송되는 HeNe 레이저는 광수신기 센서에서 종단됩니다. 마이크로프로세서는 빔이 탁구공에 의해 막히는 시간을 측정하여 공의 속도를 자동으로 계산합니다. 결과는 LCD 디스플레이에 즉시 표시됩니다.
광학 칼날 설정은 센서에서 HeNe 빔의 일부를 차단하여 충격파를 감지하는 매우 민감한 수단을 제공합니다. 충격파는 빔의 굴절로 인한 편향을 일으키며, 이는 광 수신기의 전기 신호에서 작은 전압 스파이크로 관찰됩니다.
제시된 방법은 재현성이 높으며 실험실 환경에서 추가 조사의 기회를 제공합니다.
서론
PPC는 사람들이 지속적으로 노출되는 엄청난 기압을 보여주는 데 사용되는 인기 있는 물리학 시연입니다 1,2,3,4,5. 시연에는 공의 직경과 거의 같은 내부 직경을 가진 파이프 섹션에 탁구공을 배치하는 것이 포함됩니다. 파이프는 테이프로 양쪽 끝을 밀봉하고 2Torr 미만의 내부 압력으로 배출합니다. 파이프의 한쪽 끝에 있는 테이프에 구멍이 뚫려 공기가 대포로 들어가고 공이 약 5,000g의 최대 가속도를 경험하게 합니다. 대기압만으로 가속되는 공은 2m를 이동한 후 약 300m/s의 속도로 대포를 빠져나갑니다.
PPC는 일반적으로 대기압의 간단한 시연으로 작동되지만 복잡한 압축성 유동 물리학을 나타내는 장치이기도 하여 수많은 개방형 학생 프로젝트를 탄생시켰습니다. 공의 역학은 벽 마찰, 공 주변의 공기 누출, 가속 공에 의한 충격파 형성과 같은 2차 요인의 영향을 받습니다. 볼의 상당한 가속은 볼 앞의 튜브를 따라 이동하는 큰 진폭의 압축파를 도입합니....
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프로토콜
1. 탁구대포(PPC)의 제작 및 조립
- 그림 1에 따라 PPC의 모든 구성 요소를 조립합니다.
- 대포 측면에 두 개의 고선명도 아크릴 창을 삽입하여 대포 내부를 가로질러 광학 프로빙을 허용합니다.
- 대포 출구 근처에 있는 PVC의 반대쪽을 통해 두 개의 1/2인치 구멍을 뚫습니다.
- 레이저 조각기를 사용하여 두 개의 1/8 두께의 아크릴 창을 준비합니다. 세 개의 보조 svg 파일을 다운로드합니다.
참고: "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"라는 레이블이 붙은 세 개의 파일이 있습니다.
(보충 파일 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(보충 파일 2) 및 "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
(보충 파일 3). 이 세 파일은 제목에 설명된 프로세스(조각/잘라내기)를 사용하여 제공된 순서대로 사용해야 합니다. 레이저 속도 및 출력 설정은 제조업체에서 권장하는 아크릴 설정에 따라 설정해야 합니다. 각 조각 단계는 재료 두께의 약 1/3을 ....
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결과
여기에서는 충격 특성화 및 속도 측정을 위한 광학 진단의 구현과 함께 PPC 및 SSPPC의 구성 및 활용에 대한 지침을 제공합니다. 대표적인 실험 결과도 제공됩니다. PPC 및 SSPPC의 완성된 시스템과 필요한 액세서리는 그림 1 과 그림 2에 나와 있습니다. SSPPC는 파이프의 구동 가압 섹션이 PPC의 구동 파이프에 연결되는 PPC의 증강 버전입니다. 충격파의 칼날 감지 및 탁구공 속도 측정을 위한 광학 진단 설정은 그림 3에 나와 있습니다. 충격 특성화 및 속도 측정을 위한 광학 진단의 효율성을 보여주는 샘플 오실로스코프 트레이스가 그림 4에 나와 있으며, 오실로스코프 트레이스에 해당하는 볼의 움직임과 반사 충격파를 보여주는 개념 스케치가 나와 있습니다. 마이크로프로세서가 수신한 원시 신호와 처리된 신호는 .......
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토론
우리는 볼 속도 측정 및 대포 출구 근처의 충격 전파 특성화를위한 광학 진단과 함께 PPC 및 SSPPC의 구성 방법을 제시했습니다. 표준 PPC는 일정 80 PVC 파이프에서 1.5의 2m 섹션으로 구성됩니다. 파이프에는 양쪽 끝에 플랜지가 장착되어 있고, 레이저 진단을 위해 출구 근처에 빠른 연결 진공 피팅 및 아크릴 창이 있습니다. PPC의 자세한 개략도는 그림 1에 나와 있습니다. 발사하기 전에 탁구공을 대포에 삽입하고 끝을 밀봉합니다. 출구 끝은 테이프를 플랜지에 직접 고정하여 밀봉합니다. 파이프의 다른 쪽 끝에서 테이프는 1.5인치 컷아웃이 있는 아크릴 캡 위에 고정되고 파이프는 고무 개스킷이 있는 아크릴 캡을 사용하여 밀봉됩니다. PPC는 단단히 고정되어 있으며 탁구공을 안전하게 잡을 수 있도록 견고한 용기가 배치되어 있습니다. 대포는 파이프를 2 Torr 미만의 절대 압력으로 비우고 날카로운 물체로 대포를 뚫어 발사합니다. SSPPC는 표준 PPC에 스케쥴 80.......
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공개 사항
저자는 공개 할 것이 없습니다.
감사의 글
이 작업은 IUSE : EHR 프로그램의 일환으로 NSF 학부 교육 부서 (상 # 2021157)에서 지원합니다
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참고문헌
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- 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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