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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
(Kompletterande fil 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
(Kompletterande fil 2) och "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
(Kompletterande fil 3). Dessa tre filer ska användas i den ordning som anges med hjälp av processen som beskrivs i titeln (gravera / klippa ut). Laserhastigheten och effektinställningarna ska ställas in enligt tillverkarens rekommenderade inställningar för akryl. Varje graveringssteg bör ta bort ungefär 1/3 av materialets tjocklek. - Lägg till kiseltätningsmedel i kanten av akrylen, var försiktig så att du inte får något på fönstret. Placera sedan fönster i hålen och se till att de är vinkelräta mot varandra. Lämna gott om tid för silikonet att härda efter denna del av processen.
OBS: Om en laserskärare inte är tillgänglig kan en bit klar tejp lindas runt rörets omkrets för att täta 1/2 i hål och fungera som ett fönster genom rörets inre. Ytterligare experiment kan utföras genom att sätta in ytterligare fönster i kanonen för att mäta pingisbollens hastighet och acceleration längs det drivna rörets längd.
- Använd en bandslipmaskin och slipa av flänsens yta vid kanonens utgång. Avsluta slipningen med finkornigt sandpapper så att tejpen kan fästa väl på flänsen.
- Skär med hjälp av en laserskärare ett akryllock efter "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (kompletterande fil 4). Fäst en fullfasad gummipackning på akryllocket. Akryllocket är en komponent i trycktätningen som används vid avfyrning av PPC.
- Säkra kanonen ordentligt för avfyrning och placera en robust behållare för att säkert fånga pingisbollen med riklig vaddering för att minimera stöten med behållarens bakvägg.
OBS: Det finns många lösningar för att säkra pingiskanonen och säkert fånga bollen. För det presenterade experimentet skapades ett anpassat spännsystem för att säkra kanonen ordentligt med en horisontell orientering. Dessa klämmor kan konstrueras enligt "JoVE_CannonMountTemplate.png" (kompletterande fil 5).- Använd tilläggsfil 5 som mall för att skära ut 2 i x 6 i träplankor. Anslut de övre och nedre delarna av spännsystemet med en dragspärr och gångjärn för att säkra kanonen.
- Klä insidan av klämmorna med gummipackningsmaterial för att förhindra att kanonen glider under avfyrningsprocessen. Fäst de anslutna övre och nedre delarna av spännsystemet på basen med fyra hörnfästen.
- Montera det färdiga spännsystemet på en bordsskiva med fyra C-klämmor. Konstruera en 13 i x 13 i x 24 i plywoodbehållare och backa den med fyra 1 i plywoodskivor för att fånga pingisbollen. Placera ett dämpande material i behållaren för att förhindra att bollen studsar. Montera denna behållare med C-klämmor på en bordplatta.
2. Byggande och montering av supersonisk pingiskanon (SSPPC)
- Montera alla komponenter i drivröret enligt figur 2.
OBS: Den primära skillnaden mellan PPC och SSPPC är att SSPPC är förstärkt med en drivande, trycksatt del av schema 80 PVC-rör som är anslutet till ingången till PPC. Om PPC redan har konstruerats är därför allt som återstår att montera för att konstruera SSPPC drivrörssektionen. - Säkra kanonen ordentligt för avfyrning och placera en robust behållare som säkert kan fånga pingisbollen med riklig vaddering för att minimera påverkan på behållarens bakvägg.
De monterings- och fångstsystem som beskrivs i steg 1.5 är samma system som används för att säkra SSPPC.
3. Optisk diagnostik
- Ställ in laser, stråldelare, spegel och fotomottagare genom att montera komponenterna på en optisk brödbräda, enligt figur 3. Rikta lasern vinkelrätt mot kanonen, med den första strålen som passerar rörets inre genom akrylfönstren och den andra passerar strax utanför kanonutgången.
- Strömförse fotomottagarna och lasermodulen genom att ansluta dem till en 15 V strömbegränsad strömförsörjning och laserströmförsörjning. Anslut fotomottagarna till oscilloskopets två kanaler med BNC-kablar.
- Placera svart elektrisk tejp över hälften av fotomottagarsensorn. Tejpen fungerar som en "knivsegg" för att skapa en känslig stötdetekteringsinställning.
OBS: Känsligheten för knivseggdetekteringen kan förbättras ytterligare med hjälp av en konvergerande lins för att fokusera strålen på knivseggen. Känsligheten kan också förbättras genom att öka avståndet strålen färdas till fotomottagaren, vilket resulterar i en större brytningsförskjutning av strålen. - Innan du ställer in triggernivån på oscilloskopet, var särskilt uppmärksam på att undvika klippning, vilket kan bero på känsligheten hos knivkantsinställningen. För att undvika klippning, justera strålens position på knivkanten så att baslinjespänningen är cirka 50% av den maximala spänningen. Den maximala spänningen är spänningen när helljuset är på den fria detektorn.
- Justera inställningarna på oscilloskopet för att samla in 20 miljoner datapunkter. Ställ in datainsamlingshastigheten på 500 MHz genom att justera den horisontella skalningsratten. Vrid avtryckarratten för att lösa ut vid en spänning något under baslinjespänningen som erhållits från fotomottagaren.
OBS: Pingisbollens hastighet kan hittas genom enkel matematik med hjälp av fotomottagarmodulerna. Hastigheten är pingisbollens diameter dividerat med den tid då strålen hindras av bollen. En mikroprocessor används för att bearbeta signalen som tas emot från den inre fotomottagarmodulen för att automatiskt mäta kulans hastighet i slutet av kanonen.
- Justera inställningarna på oscilloskopet för att samla in 20 miljoner datapunkter. Ställ in datainsamlingshastigheten på 500 MHz genom att justera den horisontella skalningsratten. Vrid avtryckarratten för att lösa ut vid en spänning något under baslinjespänningen som erhållits från fotomottagaren.
4. Automatiska hastighetsmätningar
- För att använda en mikroprocessor för automatiska hastighetsmätningar, konvertera signalen från fotomottagarmodulen till en 0-5 V-puls, som visas i figur 5, med hjälp av en komparator som utlöses vid cirka 10% av baslinjespänningen. Anslut den konverterade signalen till port 7 på mikroprocessorn.
- Ladda ner "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (kompletterande fil 6) och ladda upp den till mikroprocessorn.
- Anslut RA8875-skärmen och förarkortet till de angivna portarna på mikroprocessorn.
5. Installation och avfyrning av pingiskanonen
- Sätt på öron- och ögonskydd innan du skjuter kanonen.
- Sätt in en pingisboll i kanonens utgång. Blås lätt i kanonens ände tills kulan träffar vakuumbeslaget nära rörets ingång.
- Fäst en 3 i x 3 tum kvadrat tejp på flänsen vid den utgående änden av kanonen och en andra kvadrat på akryllocket. Försegla tejpen så att den fäster vid flänsens och lockets yta.
OBS: Om det finns några rynkor eller stora bubblor måste tejpen kasseras. Om tejpen inte fäster tillräckligt vid ytan kan vakuumet gå förlorat och kanonen kan avfyras för tidigt. Om vakuumet vid något tillfälle går förlorat kan nålventilen ansluten till vakuumpumpen öppnas för att bringa systemet i jämvikt. - Se till att laserstrålen är centrerad på knivseggen, avtryckaren är korrekt inställd och fångstbehållaren är säker.
- Slå på vakuumpumpen för att evakuera röret till ett reducerat absolut tryck på mindre än 2 Torr. När ett tillräckligt vakuum har uppnåtts, punktera tejpen vid ingången med ett vasst föremål som ett bredhuvud eller rakhyvelspets.
- Stäng av vakuumpumpen efter avfyrning. Ta bort tejpen från utgångsflänsen och akryllocket.
6. Installation och avfyrning av den supersoniska pingiskanonen
- För säkerhet, använd hörsel och ögonskydd under hela avfyrningsprocessen.
- Klipp ark på 0,0005 tum, 0,001 tum och 0,002 tum polyesterfilm som matchar flänsens dimensioner. Dessa ark kan skäras för hand eller helst med en laserskärare. Använd tilläggsfilen "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (kompletterande fil 7) som disposition.
OBS: För detta experiment avfyrades kanonen med enstaka ark på 0,0005 tum, 0,001 tum och 0,002 i polyesterfilm, och resultaten registreras i figur 7. En mall för laserskärning av polyesterfilmen finns som en SVG-fil (kompletterande fil 7). - Se till att ventilen från luftkompressorn till drivröret är stängd. Förfyll luftkompressorn för snabbare påfyllning av drivröret när kanonen är redo att avfyras.
- Sätt in en pingisboll i kanonens utgång. Blås lätt i kanonens ände tills kulan stoppas av vakuumbeslaget nära ingången till det drivna röret.
- Fäst en 3 tum x 3 tum kvadrat tejp på den utgående änden av kanonen. Försegla tejpen så att den fäster vid flänsens yta.
OBS: Om det finns några rynkor eller stora bubblor måste tejpen kasseras. Om tejpen inte fäster tillräckligt vid ytan kan vakuumet gå förlorat och kanonen kan avfyras för tidigt. Om vakuumläckage eller andra komplikationer uppstår, använd tryckavlastningsventilen på drivröret och nålventilen på vakuumpumpen för att få systemet i jämvikt. - Sätt in ett förskuret tunt polyestermembran mellan två gummipackningar. Placera membranet och gummipackningarna mellan föraren och de drivna delarna av kanonen. Anslut de två sektionerna tätt med 4 kamklämmor.
- Se till att laserstrålen är centrerad på knivseggen, avtryckaren är korrekt inställd och fångstbehållaren är säker.
- Slå på vakuumpumpen för att evakuera röret till ett reducerat absolut tryck på mindre än 2 Torr. Släpp trycket från luftkompressorn till drivröret. Låt trycket stiga tills membranet spricker och tryckluften i drivröret snabbt fyller det evakuerade drivna röret.
- När kanonen har avfyrats, stäng av luftkompressorn och vakuumpumpen. Ta bort det sprängda polyestermembranet och tejpen från kanonen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 ansluten till PPC: s drivna rör. Den optiska diagnostikinställningen för knivkantsdetektering av chockvågor och pingisbollhastighetsmätningar visas i figur 3. Ett exempel på oscilloskopspår som visar effektiviteten hos den optiska diagnostiken för chockkarakterisering och hastighetsmätningar visas i figur 4, tillsammans med konceptuella skisser som visar bollens rörelse och de reflekterande chockvågorna som motsvarar oscilloskopspåret. De råa och bearbetade signalerna som tas emot av mikroprocessorn, tillsammans med en bild av de LCD-visade hastighetsberäkningarna, presenteras i figur 5. Ett representativt dubbelkanaligt oscilloskopspår från en lyckad avfyrning av SSPPC visas i figur 6. Oscilloskopspåren visar effektiviteten hos knivkantsinställningen för detektering av chockvågor inuti och strax förbi kanonens utgång. Spåren visar också en tydlig cutoff i signalen när kulan passerar, vilket används för exakta bollhastighetsberäkningar. Tester utfördes för avfyrning av SSPPC under olika membranbrottförhållanden. Korrelationen mellan pingisbollens hastigheter och SSPPC-membranbrottförhållanden visas i figur 7.
Figur 1: Schematisk bild av standardpingiskanonen. Denna figur visar installationen och layouten för standard ping-pong-kanonen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Schematisk bild av den supersoniska pingiskanonen. Denna figur visar installationen och layouten för den supersoniska ping-pong-kanonen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 3: Schematisk bild av maskinvaruinstallationen för optisk diagnostik. Denna bild visar installation och layout av komponenterna för optisk diagnostisk mätning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Representativt oscilloskopspår med illustrerad stötvågsutbredning. Denna figur visar en förökande chockvåg som reflekterar hela kanonens avfyrningsprocess, vilket representeras av en spänningsförändring med avseende på tiden. De fem ögonblicksbilderna av kanonen visar riktningen för chockutbredningen i samband med bollens position i kanonen. Chockvågens riktning bestäms av en positiv eller negativ spik i signalen. Hastigheten kan mätas genom bredden på den "fyrkantiga" pulsen som orsakas av att kulan skär av strålen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Mikroprocessorsignalomvandling och display. Här visar vi spåret av den internt avkännande fotomottagaren orsakad av ett typiskt skott av PPC. Pulsen som orsakas av den resande bollen inverteras av en komparator, extra brus avlägsnas och skenas till 0 V och 5 V så att den lätt kan läsas av mikroprocessorn. Bredden på den bearbetade kvadratpulsen läses av mikroprocessorn och används för att beräkna hastigheten, som sedan visas på LCD-skärmen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Representativt oscilloskopspår för avfyrning av SSPPC. Det tvåkanaliga oscilloskopspåret visar knivseggsignalen för strålarna som korsar de inre (röda) och yttre (blå) regionerna nära kanonens utgång. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Beroende av SSPPC-pingisbollens utgångshastigheter på membranbrottförhållandena. SSPPC avfyrades för en serie fall med användning av enstaka ark på 0,0005 tum, 0,001 tum och 0,002 i polyesterfilm. Membrantrycksskillnaden vid brott plottades mot Mach-talet för varje fall. Kanonen avfyrades åtta gånger för varje membrantjocklek, och de vertikala och horisontella felstaplarna representerar standardfelet i differenstrycket respektive Mach-talet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Video 1: Schlieren bildteknik. Videon avslöjar bandets svar på de reflekterande chockvågorna och den eventuella lossningen av tejpen vid utgången av PPC. Klicka här för att ladda ner den här videon.
Video 2: Höghastighets skugggrafbildteknik. Den supersoniska pingisbollen producerar en stående chockvåg. Klicka här för att ladda ner den här videon.
Kompletterande fil 1: JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 2: JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 3: JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 4: JoVE_AcrylicCap_Cut.svg Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 5: JoVE_CannonMountTemplate.png Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 6: JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 7: JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 pingisboll in i kanonen och ändarna förseglas. Utgångsänden förseglas genom att tejp fästs direkt på flänsen. I den andra änden av röret är tejpen fäst över ett akryllock med en 1,5 i utskärning, och röret förseglas med akryllocket med en gummipackning. PPC är ordentligt säkrad och en robust behållare är placerad för att säkert fånga pingisbollen. Kanonen avfyras genom att evakuera röret till ett reducerat absolut tryck på mindre än 2 Torr och punktera kanonen med ett skarpt föremål. SSPPC är en förstärkt konstruktion av PPC som ger ökade accelerationer och supersoniska pingisbollhastigheter genom att säkra en trycksatt sektion av 4 i schema 80 PVC-rör till standard PPC. En detaljerad schematisk bild av SSPPC visas i figur 2. Den ena änden av det trycksatta röret är förseglad med ett lock, medan den andra änden är ansluten till PPC med en reduceringskoppling och fläns. Det trycksatta röret är utrustat med en tryckmätare på 1-100 psi, snabbkopplingsbeslag till en luftkompressor och en säkerhetstryckavlastningsventil. Före avfyrning sätts kulan in i kanonen och utgångsänden förseglas genom att tejp fästs på flänsen. Därefter är föraren och de drivna sektionerna ordentligt anslutna med ett tunt polyestermembran och gummipackning mellan dem. SSPPC är säkrad och en robust behållare är placerad för att säkert fånga pingisbollen. Efter att trycket i det drivna röret har minskat till mindre än 2 Torr, avfyras kanonen genom att släppa trycket från luftkompressorn in i drivröret tills membranet spricker.
Den optiska diagnostiken med knivseggar ställs in på en optisk breadboard med laser, stråldelare, spegel och två fotomottagare, som visas i figur 3. Lasern är orienterad vinkelrätt mot kanonen, med en stråle som passerar rörets inre genom akrylfönstren och en annan stråle (från stråldelaren) som passerar strax bortom kanonens utgång. Strålarnas intensiteter samlas in av två fotomottagarmoduler, och signalen visas på ett tvåkanals digitalt oscilloskop. Svart elektrisk tejp placeras på fotomottagarsensorerna för att blockera ungefär hälften av varje stråle. Tejpen fungerar som en knivsegg och ökar känsligheten för att upptäcka små tvärgående avböjningar som produceras av chockvågor eller andra densitetsvariationer i flödet. Data från fotomottagarna registreras automatiskt när kanonen avfyras genom att utlösa oscilloskopet när kulan passerar den första strålen. Innan du ställer in triggernivån på oscilloskopet måste särskild försiktighet iakttas för att undvika klippning, vilket kan bero på knivseggsystemets känslighet. Klippning kan undvikas genom att justera strålens position på kniveggen så att baslinjespänningen är cirka 50% av den maximala spänningen. Pingisbollens hastigheter beräknas med hjälp av spåren från fotomottagarmodulerna. En enkel och exakt beräkning av hastigheten görs genom att dividera pingisbollens diameter med den tid då strålen hindras av bollen. En mikroprocessor används för att bearbeta signalen som tas emot från strålen som passerar rörets inre för att automatiskt beräkna och visa kulans hastighet nära kanonens utgång.
Resultaten av denna metod är mycket reproducerbara och ger en omedelbar digital visning av pingisbollhastigheterna, vilket ökar kanonens värde som en demonstrationsanordning. Oscilloskopspåret med knivseggen innehåller en rik visuell bild av det komprimerbara flödet och chockvågorna associerade med kanonen. Denna metod fokuserar på ett experiment som påverkas av många sekundära faktorer som kan studeras vidare i en laboratorieinställning, såsom väggfriktion, läckage av luft runt bollen, bildandet av chockvågor av den accelererande bollen, den snabba uppbyggnaden av tryck som produceras genom reflektion av chockvågor mellan bollen och den tejpade utgången, och den efterföljande lossningen av tejpen före bollens utgång. Ett representativt oscilloskopspår från avfyrningen av SSPPC visas i figur 6. Det övre spåret i figuren motsvarar strålen som passerar kanonens inre nära utgången. Det nedre spåret motsvarar strålen som passerar pingisbollens väg strax efter att ha lämnat kanonen. En tydlig avstängning i signalen är uppenbar när bollen passerar och hindrar varje stråle. Spänningsspikar före kulpassagen, som introduceras genom att sprida chockvågor, förbättras av knivkantdetekteringsinställningen och kan ses på varje spår. De successiva spänningsspikarna i det övre spåret inverteras på grund av reflektionen av chockvågorna inuti kanonen mellan bollen och tejpen. Däremot är varje spänningsspets på det nedre spåret i samma riktning eftersom chockvågorna utanför kanonen inte reflekterar och passerar genom den yttre strålen en andra gång.
Förutom de experiment som har presenterats kan uppföljningsstudentprojekt utformas för att ge ytterligare kontroll över testförhållandena under avfyrningen av kanonen. Till exempel avfyras den nuvarande SSPPC vid naturligt brott i membranet efter att en tillräcklig tryckskillnad byggts upp mellan de två rörsektionerna. Utvecklingen av en användarstyrd brottmekanism som initieras av användaren eller automatiskt utlöses vid ett önskat förartryck skulle möjliggöra större precision vid kontroll av testförhållandena. Andra uppföljningsprojekt kan syfta till att mäta pingisbollens hastighet vid flera positioner i en enda avfyrning av kanonen för att ge en mer fullständig beskrivning av bollens hastighet och acceleration när den färdas ner i röret. Hastighetsmätningar i PPC som funktion av position har tidigare studerats, men med varje hastighetsdatapunkt erhållen från separata avfyrningar av PPC1.
Pingiskanonen kommer att fortsätta att vara en demonstration som genererar intriger och nyfikenhet för publik i alla åldrar och typer. Den komplexa fluidfysik som kanonen uppvisar kommer att fortsätta att ge ett till synes obegränsat utbud av uppföljningsstudier som kan undersökas i fysik och tekniska laboratorieprojekt. I klassrummet kommer det att fortsätta att fungera som en populär demonstration som stimulerar spänning och intriger om storleken på atmosfärstrycket. Vi förväntar oss att de metoder för konstruktion av SSPPC och den optiska diagnostik som vi har presenterat kommer att öka kanonens värde både som demonstrationsanordning och som användbar apparat för spännande laboratorieexperiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av NSF Division of Undergraduate Education (utmärkelse # 2021157) som en del av IUSE: EHR-programmet
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).
