Diagnostic optique à grande vitesse d’un canon de ping-pong supersonique

Résumé

Nous décrivons une méthode pour la construction d’un canon de ping-pong supersonique (SSPPC) ainsi que des techniques de diagnostic optique pour la mesure de la vitesse de la balle et la caractérisation de la propagation des ondes de choc pendant le tir du canon.

Résumé

Le canon de ping-pong traditionnel (PPC) est un appareil éducatif qui lance une balle de ping-pong dans un tuyau évacué à des vitesses presque soniques en utilisant uniquement la pression atmosphérique. Le SSPPC, une version augmentée du PPC, atteint des vitesses supersoniques en accélérant la balle avec une pression supérieure à la pression atmosphérique. Nous fournissons des instructions pour la construction et l’utilisation d’un PPC et d’un SSPPC optimisés.

Les diagnostics optiques sont mis en œuvre dans le but d’étudier la dynamique des canons. Un laser HeNe qui est envoyé à travers deux fenêtres en acrylique près de la sortie du tuyau est terminé sur un capteur photorécepteur. Un microprocesseur mesure le temps pendant lequel le faisceau est obstrué par la balle de ping-pong pour calculer automatiquement la vitesse de la balle. Les résultats sont immédiatement présentés sur un écran LCD.

Une configuration optique à bord de couteau fournit un moyen très sensible de détecter les ondes de choc en coupant une fraction du faisceau HeNe au niveau du capteur. Les ondes de choc provoquent des déviations induites par la réfraction du faisceau, qui sont observées sous forme de petits pics de tension dans le signal électrique du photorécepteur.

Les méthodes présentées sont hautement reproductibles et offrent la possibilité d’approfondir les recherches en laboratoire.

Introduction

Le PPC est une démonstration de physique populaire utilisée pour montrer l’immense pression atmosphérique à laquelle les gens sont continuellement exposés 1,2,3,4,5. La démonstration implique le placement d’une balle de ping-pong dans une section de tuyau dont le diamètre intérieur est approximativement égal au diamètre de la balle. Le tuyau est scellé à chaque extrémité avec du ruban adhésif et évacué à une pression interne inférieure à 2 Torr. Le ruban à une extrémité du tuyau est perforé, ce qui permet à l’air d’entrer dans le canon et provoque des accélérations maximales d’environ 5 000 g à la balle. La balle, qui est accélérée par la seule pression atmosphérique, sort du canon à une vitesse d’environ 300 m/s après avoir parcouru 2 m.

Bien que le PPC soit généralement utilisé comme une simple démonstration de la pression atmosphérique, c’est aussi un appareil qui présente une physique complexe de l’écoulement compressible, ce qui a donné lieu à de nombreux projets étudiants ouverts. La dynamique de la balle est influencée par des facteurs secondaires tels que le frottement de la paroi, la fuite d’air autour de la balle et la formation d’ondes de choc par la balle accélérante. L’accélération substantielle de la balle introduit une onde de compression de grande amplitude qui se déplace le long du tube devant la balle. Ces compressions se déplacent plus rapidement que la vitesse du son local, ce qui entraîne une pentification de l’onde de compression et la formation éventuelle d’une onde de choc⁶. Des travaux antérieurs ont étudié l’accumulation rapide de pression à la sortie du tube due aux réflexions de l’onde de choc entre la bille et la sortie scotchée du tube et au détachement du ruban qui en résulte avant la sortie de la bille². La vidéo à grande vitesse utilisant une technique d’imagerie schlieren à miroir unique a révélé la réponse de la bande aux ondes de choc réfléchissantes et le détachement éventuel de la bande à la sortie du PPC ^7,8 (vidéo 1). Ainsi, le PPC sert à la fois de simple démonstration de la pression atmosphérique qui intrigue les publics de tous âges et de dispositif présentant une physique des fluides complexe, qui peut être étudiée en détail dans un laboratoire.

Avec le PPC standard, les vitesses de balle de ping-pong sont limitées par la vitesse du son. Cette version de base du PPC est couverte dans le cadre de cet article, ainsi qu’un canon modifié utilisé pour propulser la balle à des vitesses supersoniques. Dans des travaux antérieurs de French et al., les vitesses de balle de ping-pong supersoniques ont été obtenues en utilisant un écoulement entraîné par la pression à travers une buse convergente-divergente 9,10,11. Le SSPPC présenté ici utilise un tuyau pressurisé (conducteur) pour fournir une différence de pression plus grande sur la balle de ping-pong que celle fournie par la pression atmosphérique seule. Un mince diaphragme en polyester est utilisé pour séparer le tuyau conducteur du tuyau sous vide (entraîné) contenant la bille. Ce diaphragme se rompt sous une pression de jauge suffisante (généralement 5-70 psi, selon l’épaisseur du diaphragme), accélérant ainsi la balle de ping-pong à des vitesses allant jusqu’à Mach 1,4. La balle de ping-pong supersonique produit une onde de choc stationnaire, comme on peut le voir en utilisant des techniques d’imagerie shadowgraph à grande vitesse ^7,12 (vidéo 2).

Un laser HeNe de faible puissance (classe II) est utilisé pour effectuer des études de diagnostic optique sur les performances du canon. Le faisceau laser HeNe est divisé en deux chemins, l’un traversant un ensemble de fenêtres en acrylique près de la sortie du canon et le second chemin passant juste après la sortie du canon. Chaque chemin se termine sur un photorécepteur et le signal est affiché sur un oscilloscope à deux canaux. La trace de l’oscilloscope enregistrée lors du tir du canon révèle des informations à la fois sur la vitesse de la balle de ping-pong accélérée et sur le flux compressible et les ondes de choc qui précèdent la sortie de la balle du canon. La vitesse de la balle de ping-pong de 40 mm de diamètre à chaque emplacement de poutre est directement liée au temps pendant lequel la balle bloque la poutre. Une configuration sensible de détection de choc « couteau » est obtenue en recouvrant la moitié du détecteur avec un morceau de ruban électrique noir et en positionnant le bord de la bande au centre du faisceau². Avec cette configuration, de légères déviations du faisceau laser He-Ne, produites par l’indice de gradients de réfraction induit par le flux compressible, sont clairement visibles sous forme de pics de tension sur la trace de l’oscilloscope. Les ondes de choc se déplaçant vers la sortie du canon et les ondes de choc réfléchies dévient le faisceau dans des directions opposées et sont donc identifiées par un pic de tension positif ou négatif.

Ici, nous fournissons des instructions pour la construction et l’utilisation d’un PPC et d’un SSPPC optimisés, ainsi que des techniques de diagnostic optique (Figure 1, Figure 2 et Figure 3). Les techniques et les mesures de diagnostic optique ont été développées au cours des années précédentes d’étude ^1,2.

Protocole

1. Construction et montage du canon de ping-pong (PPC)

1. Assemblez tous les composants du PPC conformément à la figure 1.
2. Insérez deux fenêtres en acrylique haute clarté sur les côtés du canon pour permettre un sondage optique à l’intérieur du canon.
   1. Percez deux 1/2 trous dans les côtés opposés du PVC près de la sortie du canon.
   2. Préparez deux fenêtres en acrylique épaisses 1/8 à l’aide d’un graveur laser. Téléchargez les trois fichiers svg supplémentaires.
      Remarque : Il existe trois fichiers étiquetés « JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg »
      (Dossier supplémentaire 1), « JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg »
      (dossier supplémentaire 2) et « JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg »
      (Dossier supplémentaire 3). Ces trois fichiers doivent être utilisés dans l’ordre fourni en utilisant le processus décrit dans le titre (graver/couper). Les réglages de vitesse et de puissance du laser doivent être réglés conformément aux réglages recommandés par le fabricant pour l’acrylique. Chaque étape de gravure doit enlever environ 1/3 de l’épaisseur du matériau.
   3. Ajoutez du mastic au silicone sur le bord de l’acrylique, en prenant soin de ne pas en avoir sur la fenêtre. Ensuite, placez les fenêtres dans les trous, en vous assurant qu’elles sont perpendiculaires les unes aux autres. Laissez suffisamment de temps au silicone pour durcir après cette partie du processus.
      REMARQUE: Si une découpeuse laser n’est pas disponible, un morceau de ruban adhésif transparent peut être enroulé autour de la circonférence du tuyau pour sceller la moitié dans les trous et agir comme une fenêtre à l’intérieur du tuyau. D’autres expériences peuvent être menées en insérant des fenêtres supplémentaires dans le canon pour mesurer la vitesse et l’accélération de la balle de ping-pong sur toute la longueur du tuyau entraîné.
3. À l’aide d’une ponceuse à bande, poncer la face de la bride à la sortie du canon. Terminez le ponçage avec du papier de verre à grain fin afin que le ruban puisse bien adhérer à la bride.
4. À l’aide d’une découpeuse laser, découpez un capuchon en acrylique après « JoVE_AcrylicCap_Cut.svg » (dossier supplémentaire 4). Fixez un joint en caoutchouc intégral au capuchon en acrylique. Le capuchon en acrylique est un composant du joint de pression utilisé lors de la cuisson du PPC.
5. Fixez fermement le canon pour le tir et positionnez un conteneur robuste pour attraper la balle de ping-pong en toute sécurité avec un rembourrage suffisant pour minimiser l’impact avec la paroi arrière du conteneur.
   REMARQUE: Il existe de nombreuses solutions pour sécuriser le canon de ping-pong et attraper la balle en toute sécurité. Pour l’expérience présentée, un système de serrage personnalisé a été créé pour fixer fermement le canon avec une orientation horizontale. Ces pinces peuvent être construites à la suite d’un « JoVE_CannonMountTemplate.png » (dossier complémentaire 5).
   1. Utilisez le fichier supplémentaire 5 comme gabarit pour découper 2 po x 6 po sur des planches de bois. Connectez les parties supérieure et inférieure du système de serrage à l’aide d’un loquet et d’une charnière pour fixer le canon.
   2. Tapisser l’intérieur des pinces avec un joint en caoutchouc pour empêcher le glissement du canon pendant le processus de tir. Fixez les parties supérieure et inférieure du système de serrage connectées à la base à l’aide de quatre supports d’angle.
   3. Montez le système de serrage terminé sur une table à l’aide de quatre pinces en C. Construisez un récipient en contreplaqué de 13 po x 13 po x 24 po et reposez-le de quatre feuilles de contreplaqué de 1 po pour attraper la balle de ping-pong. Placez un matériau de rembourrage dans le récipient pour empêcher les rebonds de la balle. Montez ce récipient avec des pinces en C sur une table.

2. Construction et montage du canon de ping-pong supersonique (SSPPC)

1. Assemblez tous les composants du tuyau conducteur en suivant la Figure 2.
   REMARQUE : La principale différence entre le PPC et le SSPPC est que le SSPPC est complété par une section pressurisée motrice du tuyau en PVC de l’annexe 80 qui est reliée à l’entrée du PPC. Par conséquent, si le PPC a déjà été construit, tout ce qui reste à assembler pour construire le SSPPC est la section de tuyau conducteur.
2. Fixez fermement le canon pour le tir et positionnez un conteneur robuste qui peut attraper la balle de ping-pong en toute sécurité avec un rembourrage suffisant pour minimiser l’impact sur la paroi arrière du conteneur.
   REMARQUE : Les systèmes de montage et de capture décrits à l’étape 1.5 sont les mêmes que ceux utilisés pour sécuriser le SSPPC.

3. Diagnostic optique

1. Configurez le laser, le séparateur de faisceau, le miroir et les photorécepteurs en montant les composants sur une carte d’essai optique, conformément à la figure 3. Orientez le laser perpendiculairement au canon, le premier faisceau traversant l’intérieur du tuyau à travers les fenêtres en acrylique et le second passant juste à l’extérieur de la sortie du canon.
2. Alimentez les photorécepteurs et le module laser en les connectant à une alimentation limitée à courant de 15 V et à une alimentation laser. Connectez les photorécepteurs aux deux canaux de l’oscilloscope à l’aide de câbles BNC.
3. Placez du ruban électrique noir sur la moitié du capteur photorécepteur. La bande sert de « tranchant de couteau » pour créer une configuration sensible de détection des chocs.
   REMARQUE: La sensibilité de la détection du bord du couteau peut être encore améliorée à l’aide d’une lentille convergente pour focaliser le faisceau sur le bord du couteau. La sensibilité peut également être améliorée en augmentant la distance parcourue par le faisceau jusqu’au photorécepteur, ce qui entraîne un plus grand déplacement de réfraction du faisceau.
4. Avant de régler le niveau de déclenchement de l’oscilloscope, faites particulièrement attention à éviter l’écrêtage, qui peut résulter de la sensibilité de la configuration à couteaux. Pour éviter l’écrêtage, réglez la position du faisceau sur le bord du couteau de sorte que la tension de base soit d’environ 50 % de la tension maximale. La tension maximale est la tension lorsque le faisceau complet est sur le détecteur dégagé.
   1. Ajustez les paramètres de l’oscilloscope pour collecter 20 millions de points de données. Réglez le débit d’acquisition des données sur 500 MHz en ajustant le bouton de la balance horizontale. Tournez le bouton de déclenchement pour qu’il se déclenche à une tension légèrement inférieure à la tension de base acquise par le photorécepteur.
      NOTE: La vitesse de la balle de ping-pong peut être trouvée par des mathématiques simples en utilisant les modules photorécepteurs. La vitesse est le diamètre de la balle de ping-pong divisé par le temps que le faisceau est obstrué par la balle. Un microprocesseur est utilisé pour traiter le signal reçu du module photorécepteur intérieur afin de mesurer automatiquement la vitesse de la balle à l’extrémité du canon.

4. Mesures automatiques de vitesse

1. Pour utiliser un microprocesseur pour les mesures automatiques de vitesse, convertissez le signal du module photorécepteur en une impulsion de 0 à 5 V, comme illustré à la Figure 5, à l’aide d’un comparateur qui se déclenche à environ 10 % de la tension de base. Connectez le signal converti au port 7 du microprocesseur.
2. Téléchargez « JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino » (fichier supplémentaire 6) et téléchargez-le sur le microprocesseur.
3. Connectez l’écran RA8875 et la carte pilote aux ports désignés du microprocesseur.

5. Installation et tir du canon de ping-pong

1. Mettez une protection des oreilles et des yeux avant de tirer le canon.
2. Insérez une balle de ping-pong dans la sortie du canon. Soufflez légèrement à l’extrémité du canon jusqu’à ce que la balle frappe le raccord à vide près de l’entrée du tuyau.
3. Fixez un carré de ruban adhésif de 3 po x 3 po sur la bride à l’extrémité sortante du canon et un deuxième carré sur le capuchon en acrylique. Scellez le ruban de manière à ce qu’il adhère à la surface de la bride et du capuchon.
   REMARQUE: S’il y a des rides ou de grosses bulles, le ruban doit être jeté. Si la bande n’adhère pas suffisamment à la surface, le vide peut être perdu et le canon peut tirer prématurément. Si, à un moment donné, le vide est perdu, la vanne à pointeau connectée à la pompe à vide peut être ouverte pour amener le système à l’équilibre.
4. Assurez-vous que le faisceau laser est centré sur le bord du couteau, que la gâchette est correctement réglée et que le récipient de capture est sécurisé.
5. Allumez la pompe à vide pour évacuer le tuyau à une pression absolue réduite inférieure à 2 Torr. Une fois qu’un vide suffisant a été atteint, percez le ruban à l’entrée avec un objet pointu tel qu’une tête large ou une pointe de rasoir.
6. Après le tir, éteignez la pompe à vide. Retirez le ruban de la bride de sortie et du capuchon en acrylique.

6. Installation et tir du canon de ping-pong supersonique

1. Pour des raisons de sécurité, portez une protection auditive et oculaire tout au long du processus de tir.
2. Feuilles découpées de 0,0005 po, 0,001 po et 0,002 po dans un film polyester qui correspondent aux dimensions de la bride. Ces feuilles peuvent être découpées à la main ou, de préférence, à l’aide d’une découpeuse laser. Utilisez le fichier supplémentaire « JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg » (dossier supplémentaire 7) comme plan.
   NOTE: Pour les besoins de cette expérience, le canon a été tiré avec des feuilles simples de 0,0005 po, 0,001 po et 0,002 po dans un film polyester, et les résultats sont enregistrés à la figure 7. Un modèle pour découper au laser le film de polyester peut être trouvé sous forme de fichier SVG (fichier supplémentaire 7).
3. Assurez-vous que la vanne du compresseur d’air au tuyau d’entraînement est fermée. Préremplissez le compresseur d’air pour permettre un remplissage plus rapide du tuyau d’entraînement lorsque le canon est prêt à être tiré.
4. Insérez une balle de ping-pong dans la sortie du canon. Soufflez légèrement à l’extrémité du canon jusqu’à ce que la boule soit arrêtée par le raccord à vide près de l’entrée du tuyau entraîné.
5. Fixez un carré de ruban de 3 po x 3 po sur l’extrémité sortante du canon. Scellez le ruban de manière à ce qu’il adhère à la surface de la bride.
   REMARQUE: S’il y a des rides ou de grosses bulles, le ruban doit être jeté. Si la bande n’adhère pas suffisamment à la surface, le vide peut être perdu et le canon peut tirer prématurément. Si le vide fuit ou d’autres complications surviennent, utilisez la soupape de décompression sur le tuyau d’entraînement et la vanne à aiguille sur la pompe à vide pour amener le système à l’équilibre.
6. Insérez un diaphragme en polyester mince prédécoupé entre deux joints en caoutchouc. Placez le diaphragme et les joints en caoutchouc entre le conducteur et les sections entraînées du canon. Connectez étroitement les deux sections à l’aide de 4 colliers de serrage.
7. Assurez-vous que le faisceau laser est centré sur le bord du couteau, que la gâchette est correctement réglée et que le récipient de capture est sécurisé.
8. Allumez la pompe à vide pour évacuer le tuyau à une pression absolue réduite inférieure à 2 Torr. Relâchez la pression du compresseur d’air dans le tuyau du conducteur. Laissez la pression augmenter jusqu’à ce que le diaphragme éclate et que l’air comprimé à l’intérieur du tuyau d’entraînement remplisse rapidement le tuyau entraîné sous vide.
9. Après les tirs du canon, éteignez le compresseur d’air et la pompe à vide. Retirez le diaphragme en polyester éclaté et le ruban adhésif du canon.

Résultats

Ici, nous fournissons des instructions pour la construction et l’utilisation d’un PPC et d’un SSPPC, ainsi que la mise en œuvre du diagnostic optique pour la caractérisation des chocs et les mesures de vitesse. Des résultats expérimentaux représentatifs sont également fournis. Les systèmes complets du PPC et du SSPPC, ainsi que les accessoires nécessaires, sont illustrés à la figure 1 et à la figure 2. Le SSPPC est une version augmentée du PPC,...

Discussion

Nous avons présenté une méthode pour la construction d’un PPC et d’un SSPPC ainsi que des diagnostics optiques pour la mesure des vitesses de la bille et pour la caractérisation de la propagation des chocs près de la sortie du canon. Le PPC standard est construit avec une section de 2 m de 1,5 dans le tuyau en PVC de l’annexe 80. Le tuyau est équipé de brides à chaque extrémité, de raccords à vide à connexion rapide et de fenêtres en acrylique près de la sortie pour le diagnostic laser. Un schéma dé...

matériels

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