Diagnóstico óptico de alta velocidade de um canhão de pingue-pongue supersônico

Resumo

Descrevemos um método para a construção de um canhão supersônico de pingue-pongue (SSPPC) juntamente com técnicas de diagnóstico óptico para a medição da velocidade da bola e a caracterização da propagação de ondas de choque durante o disparo do canhão.

Resumo

O canhão de pingue-pongue tradicional (PPC) é um aparato educacional que lança uma bola de pingue-pongue por um tubo evacuado a velocidades quase sônicas usando apenas a pressão atmosférica. O SSPPC, uma versão aumentada do PPC, atinge velocidades supersônicas acelerando a bola com pressão maior do que a atmosférica. Fornecemos instruções para a construção e utilização de um PPC e SSPPC otimizados.

Diagnósticos ópticos são implementados com o propósito de investigar a dinâmica do canhão. Um laser HeNe que é enviado através de duas janelas de acrílico perto da saída do tubo é terminado em um sensor fotorreceptor. Um microprocessador mede o tempo que o feixe é obstruído pela bola de pingue-pongue para calcular automaticamente a velocidade da bola. Os resultados são imediatamente apresentados em um display LCD.

Uma configuração óptica de ponta de faca fornece um meio altamente sensível de detectar ondas de choque, cortando uma fração do feixe HeNe no sensor. As ondas de choque causam deflexões induzidas por refração do feixe, que são observadas como pequenos picos de tensão no sinal elétrico do fotorreceptor.

Os métodos apresentados são altamente reprodutíveis e oferecem a oportunidade de investigações adicionais em laboratório.

Introdução

A CPP é uma demonstração física popular usada para mostrar a imensa pressão do ar à qual as pessoas estão continuamente expostas 1,2,3,4,5. A demonstração envolve a colocação de uma bola de pingue-pongue em uma seção de tubo que tem um diâmetro interno que é aproximadamente igual ao diâmetro da bola. O tubo é selado em cada extremidade com fita adesiva e evacuado para uma pressão interna inferior a 2 Torr. A fita em uma das extremidades do tubo é perfurada, o que permite que o ar entre no canhão e faz com que a bola experimente acelerações máximas de aproximadamente 5.000 g's. A bola, que é acelerada apenas pela pressão atmosférica, sai do canhão a uma velocidade de aproximadamente 300 m/s depois de viajar 2 m.

Embora o PPC seja comumente operado como uma simples demonstração da pressão atmosférica, ele também é um aparelho que exibe física complexa de escoamentos compressíveis, o que resultou em inúmeros projetos abertos de estudantes. A dinâmica da bola é influenciada por fatores secundários, como o atrito da parede, o vazamento de ar ao redor da bola e a formação de ondas de choque pela bola em aceleração. A aceleração substancial da bola introduz uma onda de compressão de grande amplitude que viaja pelo tubo na frente da bola. Essas compressões viajam mais rápido do que a velocidade do som local, resultando em um aumento da onda de compressão e na eventual formação de uma onda de choque⁶. Trabalhos anteriores estudaram o rápido acúmulo de pressão na saída do tubo devido aos reflexos da onda de choque entre a bola e a saída do tubo e o consequente descolamento da fita antes da saída da bola². O vídeo de alta velocidade utilizando a técnica de imagem de schlieren de espelho único revelou a resposta da fita às ondas de choque refletindo e o eventual descolamento da fita na saída do CPP ^7,8 (Vídeo 1). Assim, o PPC serve tanto como uma simples demonstração da pressão do ar que intriga públicos de todas as idades quanto como um dispositivo exibindo física complexa de fluidos, que pode ser estudada em grande detalhe em um ambiente de laboratório.

Com o PPC padrão, as velocidades da bola de pingue-pongue são limitadas pela velocidade do som. Esta versão básica do PPC é abordada no escopo deste artigo, juntamente com um canhão modificado usado para impulsionar a bola a velocidades supersônicas. Em trabalhos anteriores de French et al., as velocidades supersônicas da bola de pingue-pongue foram alcançadas utilizando o fluxo acionado por pressão através de um bocal convergente-divergente 9,10,11. O SSPPC aqui apresentado utiliza um tubo pressurizado (driver) para fornecer um diferencial de pressão maior na bola de pingue-pongue do que é fornecido apenas pela pressão atmosférica. Um diafragma fino de poliéster é utilizado para separar o tubo condutor do tubo evacuado (acionado) que contém a esfera. Este diafragma rompe-se sob pressão suficiente (geralmente 5-70 psi, dependendo da espessura do diafragma), acelerando assim a bola de pingue-pongue para velocidades de até Mach 1,4. A bola supersônica de pingue-pongue produz uma onda de choque estacionária, como pode ser visto usando técnicas de imagem de shadowgraph de alta velocidade ^7,12 (Vídeo 2).

Um laser HeNe de baixa potência (classe II) é usado para realizar estudos de diagnóstico óptico sobre o desempenho do canhão. O feixe de laser HeNe é dividido em dois caminhos, com um caminho atravessando um conjunto de janelas de acrílico perto da saída do canhão e o segundo caminho atravessando logo após a saída do canhão. Cada caminho termina em um fotorreceptor, e o sinal é exibido em um osciloscópio de canal duplo. O traço do osciloscópio registrado durante o disparo do canhão revela informações sobre a velocidade da bola de pingue-pongue acelerada e o fluxo compressível e as ondas de choque que precedem a saída da bola do canhão. A velocidade da bola de pingue-pongue de 40 mm de diâmetro em cada local do feixe está diretamente relacionada ao tempo em que a bola bloqueia o feixe. Uma configuração sensível de detecção de choque "ponta de faca" é obtida cobrindo metade do detector com um pedaço de fita elétrica preta e posicionando a borda da fita no centro do feixe². Com esta configuração, pequenas deflexões do feixe de laser He-Ne, produzidas pelo índice compressível induzido pelo fluxo de gradientes de refração, são claramente visíveis como picos de tensão no traçado do osciloscópio. As ondas de choque que viajam em direção à saída do canhão e as ondas de choque refletidas desviam o feixe em direções opostas e, portanto, são identificadas por um pico de tensão positivo ou negativo.

Aqui, fornecemos instruções para a construção e utilização de um CPP e CPSS otimizados, bem como técnicas de diagnóstico óptico (Figura 1, Figura 2 e Figura 3). As técnicas e medidas ópticas diagnósticas foram desenvolvidas em anos anteriores de estudo ^1,2.

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Protocolo

1. Construção e montagem do canhão de pingue-pongue (PPC)

1. Monte todos os componentes do PPC de acordo com a Figura 1.
2. Insira duas janelas de acrílico de alta claridade nas laterais do canhão para permitir a sondagem óptica em todo o interior do canhão.
   1. Faça dois furos 1/2 em lados opostos do PVC perto da saída do canhão.
   2. Prepare dois 1/8 em janelas grossas de acrílico usando um gravador a laser. Faça o download dos três arquivos svg suplementares.
      Observação : há três arquivos rotulados "JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg"
      (Arquivo Suplementar 1), "JoVE_AcrylicWindows_Step2_Engrave.svg"
      (Arquivo Suplementar 2) e "JoVE_AcrylicWindows_Step3_Cut.svg"
      (Arquivo Complementar 3). Esses três arquivos devem ser usados na ordem fornecida usando o processo descrito no título (gravar/cortar). As configurações de velocidade e potência do laser devem ser definidas de acordo com as configurações recomendadas pelo fabricante para o acrílico. Cada etapa de gravação deve remover aproximadamente 1/3 da espessura do material.
   3. Adicione selante de silicone na borda do acrílico, tomando cuidado para não ficar nenhum na janela. Em seguida, coloque janelas nos buracos, garantindo que fiquem perpendiculares umas às outras. Deixe tempo suficiente para o silicone cicatrizar após essa parte do processo.
      NOTA: Se um cortador a laser não estiver disponível, um pedaço de fita transparente pode ser enrolado em torno da circunferência do tubo para selar o 1/2 em furos e agir como uma janela através do interior do tubo. Experimentos adicionais podem ser realizados inserindo janelas adicionais no canhão para medir a velocidade e aceleração da bola de pingue-pongue ao longo do comprimento do tubo acionado.
3. Usando uma lixadeira de cinto, lixe a face da flange na saída do canhão. Finalize lixando com lixa de areia fina para que a fita possa aderir bem à flange.
4. Usando um cortador a laser, corte uma tampa de acrílico após "JoVE_AcrylicCap_Cut.svg" (Arquivo Suplementar 4). Fixe uma junta de borracha de face completa à tampa de acrílico. A tampa de acrílico é um componente do selo de pressão usado ao queimar o PPC.
5. Segure firmemente o canhão para disparo e posicione um recipiente resistente para capturar com segurança a bola de pingue-pongue com amplo acolchoamento para minimizar o impacto com a parede traseira do contêiner.
   NOTA: Existem muitas soluções para prender o canhão de pingue-pongue e pegar a bola com segurança. Para o experimento apresentado, um sistema de fixação personalizado foi criado para fixar firmemente o canhão com uma orientação horizontal. Estas braçadeiras podem ser construídas seguindo "JoVE_CannonMountTemplate.png" (Arquivo Suplementar 5).
   1. Use o Arquivo Suplementar 5 como um modelo para cortar 2 em x 6 em tábuas de madeira. Conecte as partes superior e inferior do sistema de fixação com uma trava de tração e dobradiça para prender o canhão.
   2. Forre o interior das abraçadeiras com material de borracha para evitar o deslizamento do canhão durante o processo de disparo. Fixe as partes superior e inferior conectadas do sistema de fixação à base usando quatro suportes de canto.
   3. Monte o sistema de fixação completo em um tampo de mesa usando quatro abraçadeiras C. Construa um recipiente de compensado de 13 pol x 13 pol x 24 e volte-o com quatro folhas de compensado de 1 pol para pegar a bola de pingue-pongue. Coloque um material de amortecimento no recipiente para evitar rebotes de bola. Monte este recipiente com braçadeiras C em um tampo de mesa.

2. Construção e montagem do canhão supersônico de pingue-pongue (SSPPC)

1. Monte todos os componentes do tubo do driver seguindo a Figura 2.
   NOTA: A principal diferença entre o PPC e o SSPPC é que o SSPPC é aumentado com uma seção pressurizada de acionamento do tubo de PVC do cronograma 80 que é conectado à entrada do PPC. Portanto, se o PPC já foi construído, tudo o que resta a ser montado para construir o SSPPC é a seção do tubo do driver.
2. Segure firmemente o canhão para disparo e posicione um recipiente resistente que possa capturar com segurança a bola de pingue-pongue com amplo acolchoamento para minimizar o impacto na parede traseira do contêiner.
   NOTA: Os sistemas de montagem e captura descritos na etapa 1.5 são os mesmos sistemas usados para proteger o SSPPC.

3. Diagnóstico óptico

1. Configure o laser, o divisor de feixe, o espelho e os fotorreceptores montando os componentes em uma protoboard óptica, de acordo com a Figura 3. Orientar o laser perpendicularmente ao canhão, com o primeiro feixe atravessando o interior do tubo através das janelas de acrílico e o segundo passando fora da saída do canhão.
2. Alimente os fotorreceptores e o módulo laser conectando-os a uma fonte de alimentação limitada de corrente de 15 V e a uma fonte de alimentação a laser. Conecte os fotorreceptores aos dois canais do osciloscópio usando cabos BNC.
3. Coloque a fita elétrica preta sobre a metade do sensor do fotorreceptor. A fita serve como uma "ponta de faca" para criar uma configuração sensível de detecção de choque.
   NOTA: A sensibilidade da detecção da ponta da faca pode ser melhorada usando uma lente convergente para focar o feixe na borda da faca. A sensibilidade também pode ser aumentada pelo aumento da distância que o feixe percorre até o fotorreceptor, resultando em um maior deslocamento refrativo do feixe.
4. Antes de definir o nível de gatilho no osciloscópio, preste atenção especial para evitar o corte, que pode resultar da sensibilidade da configuração da ponta da faca. Para evitar o corte, ajuste a posição do feixe na borda da faca de modo que a tensão basal seja de aproximadamente 50% da tensão máxima. A tensão máxima é a tensão quando o feixe cheio está no detector desobstruído.
   1. Ajuste as configurações no osciloscópio para coletar 20 milhões de pontos de dados. Defina a taxa de aquisição de dados para 500 MHz ajustando o botão de escala horizontal. Gire o botão de disparo para disparar a uma tensão ligeiramente abaixo da tensão basal adquirida do fotoreceptor.
      NOTA: A velocidade da bola de pingue-pongue pode ser encontrada através de matemática simples usando os módulos fotorreceptores. A velocidade é o diâmetro da bola de pingue-pongue dividido pelo tempo em que o feixe é obstruído pela bola. Um microprocessador é utilizado para processar o sinal recebido do módulo fotorreceptor interior para medir automaticamente a velocidade da bola na extremidade do canhão.

4. Medições automáticas de velocidade

1. Para utilizar um microprocessador para medidas automáticas de velocidade, converta o sinal do módulo fotorreceptor para um pulso de 0-5 V, como mostrado na Figura 5, usando um comparador que dispara a aproximadamente 10% da tensão basal. Conecte o sinal convertido à porta 7 do microprocessador.
2. Baixe "JoVE_AutomaticVelocityDisplay.ino" (Arquivo Suplementar 6) e carregue-o no microprocessador.
3. Conecte o monitor RA8875 e a placa de driver às portas designadas no microprocessador.

5. Configuração e disparo do canhão de pingue-pongue

1. Coloque proteção para os ouvidos e olhos antes de disparar o canhão.
2. Insira uma bola de pingue-pongue na saída do canhão. Soprar levemente na extremidade do canhão até que a bola atinja o encaixe de vácuo perto da entrada do tubo.
3. Fixe um quadrado de fita 3 em x 3 na flange na extremidade de saída do canhão e um segundo quadrado na tampa de acrílico. Sele a fita de tal forma que ela fique aderida à superfície da flange e da tampa.
   NOTA: Se houver rugas ou bolhas grandes, a fita precisa ser descartada. Se a fita não aderir suficientemente à superfície, o vácuo pode ser perdido e o canhão pode disparar prematuramente. Se em algum momento o vácuo for perdido, a válvula da agulha conectada à bomba de vácuo pode ser aberta para trazer o sistema ao equilíbrio.
4. Verifique se o feixe de laser está centralizado na borda da faca, se o gatilho está corretamente ajustado e se o recipiente de captura está seguro.
5. Ligue a bomba de vácuo para evacuar o tubo para uma pressão absoluta reduzida de menos de 2 Torr. Uma vez atingido um vácuo suficiente, puncione a fita na entrada com um objeto pontiagudo, como uma cabeça larga ou ponta de navalha.
6. Após o disparo, desligue a bomba de vácuo. Retire a fita da flange de saída e da tampa de acrílico.

6. Configuração e disparo do canhão supersônico de pingue-pongue

1. Por segurança, use proteção auditiva e ocular durante todo o processo de disparo.
2. Folhas cortadas de 0,0005 pol, 0,001 pol e 0,002 pol em filme de poliéster que correspondem às dimensões do flange. Essas folhas podem ser cortadas manualmente ou, de preferência, usando um cortador a laser. Use o arquivo suplementar "JoVE_MylarDiaphram_Cut.svg" (Arquivo Suplementar 7) como uma estrutura de tópicos.
   NOTA: Para fins deste experimento, o canhão foi disparado com folhas simples de 0,0005 pol, 0,001 pol e 0,002 em filme de poliéster, e os resultados estão registrados na Figura 7. Um modelo para cortar a laser o filme de poliéster pode ser encontrado como um arquivo SVG (Arquivo Suplementar 7).
3. Verifique se a válvula do compressor de ar para o tubo do motorista está fechada. Pré-encha o compressor de ar para permitir o enchimento mais rápido do tubo do motorista quando o canhão estiver pronto para ser disparado.
4. Insira uma bola de pingue-pongue na saída do canhão. Sopre levemente na extremidade do canhão até que a bola seja parada pelo encaixe de vácuo perto da entrada do tubo acionado.
5. Fixe um 3 em x 3 em quadrado de fita na extremidade de saída do canhão. Sele a fita de tal forma que ela fique aderida à superfície da flange.
   NOTA: Se houver rugas ou bolhas grandes, a fita precisa ser descartada. Se a fita não aderir suficientemente à superfície, o vácuo pode ser perdido e o canhão pode disparar prematuramente. Se surgirem vazamentos de vácuo ou outras complicações, use a válvula de liberação de pressão no tubo do motorista e a válvula de agulha na bomba de vácuo para colocar o sistema em equilíbrio.
6. Insira um diafragma fino de poliéster pré-cortado entre duas juntas de borracha. Coloque o diafragma e as juntas de borracha entre o condutor e as seções acionadas do canhão. Conecte firmemente as duas seções usando 4 grampos de came.
7. Verifique se o feixe de laser está centralizado na borda da faca, se o gatilho está corretamente ajustado e se o recipiente de captura está seguro.
8. Ligue a bomba de vácuo para evacuar o tubo para uma pressão absoluta reduzida de menos de 2 Torr. Solte a pressão do compressor de ar no tubo do motorista. Deixe a pressão aumentar até que o diafragma estoure e o ar comprimido dentro do tubo do motorista encha rapidamente o tubo acionado evacuado.
9. Após o disparo do canhão, desligue o compressor de ar e a bomba de vácuo. Remova o diafragma e a fita de poliéster estourados do canhão.

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Resultados

Aqui, fornecemos instruções para a construção e utilização de um PPC e um SSPPC, juntamente com a implementação do diagnóstico óptico para caracterização de choques e medições de velocidade. Resultados experimentais representativos também são fornecidos. Os sistemas completos do PPC e SSPPC, juntamente com os acessórios necessários, são mostrados na Figura 1 e na Figura 2. O SSPPC é uma versão aumentada do PPC, onde uma seção pressurizada ...

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Discussão

Apresentamos um método para a construção de um CPP e um CPSS, juntamente com diagnósticos ópticos para a medição das velocidades das esferas e para a caracterização da propagação do choque próximo à saída do canhão. O PPC padrão é construído com uma seção de 2 m de 1,5 em tubo de PVC de programação 80. O tubo é equipado com flanges em cada extremidade, conexões de vácuo de conexão rápida e janelas de acrílico perto da saída para diagnóstico a laser. Um esquema detalhado do CPP é mostrado na...

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Materiais

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