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 q....

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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_Acryl....

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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