Высокоскоростная оптическая диагностика сверхзвуковой пушки для пинг-понга

Резюме

Описан метод построения сверхзвуковой пушки для пинг-понга (SSPPC), а также методы оптической диагностики для измерения скоростей шаров и определения характеристик распространяющихся ударных волн во время стрельбы из пушки.

Аннотация

Традиционная пушка для пинг-понга (PPC) - это образовательный аппарат, который запускает шарик для пинг-понга по вакуумированной трубе до скорости, близкой к звуковой, используя только атмосферное давление. SSPPC, расширенная версия PPC, достигает сверхзвуковых скоростей за счет ускорения мяча с давлением, превышающим атмосферное. Мы предоставляем инструкции по созданию и использованию оптимизированных PPC и SSPPC.

Оптическая диагностика реализована с целью исследования динамики пушки. HeNe-лазер, который направляется через два акриловых окна на выходе из трубы, заканчивается на датчике фотоприемника. Микропроцессор измеряет время, в течение которого луч заблокирован шариком для пинг-понга, чтобы автоматически рассчитать скорость мяча. Результаты сразу же отображаются на ЖК-дисплее.

Оптическая установка с лезвием ножа обеспечивает высокочувствительные средства обнаружения ударных волн путем отсечения части луча HeNe на датчике. Ударные волны вызывают вызванные преломлением отклонения луча, которые наблюдаются в виде небольших скачков напряжения в электрическом сигнале от фотоприемника.

Представленные методы обладают высокой воспроизводимостью и дают возможность для дальнейших исследований в лабораторных условиях.

Введение

PPC - это популярная физическая демонстрация, используемая для демонстрации огромного давления воздуха, которому люди постоянно подвергаются 1,2,3,4,5. Демонстрация включает в себя размещение мяча для пинг-понга в отрезке трубы, внутренний диаметр которого примерно равен диаметру мяча. Труба герметизируется с каждого конца лентой и откачивается до внутреннего давления менее 2 Торр. Лента на одном конце трубы проколота, что позволяет воздуху проникать в пушку и вызывает пиковые ускорения шара примерно в 5000....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Сборка и сборка пушки для пинг-понга (КПП)

1. Соберите все компоненты КПП в соответствии с рисунком 1.
2. Вставьте два акриловых окна высокой четкости по бокам пушки, чтобы обеспечить оптическое зондирование внутренней части пушки.
   1. Просверлите два отверстия по 1/2 дюйма через противоположные стороны ПВХ возле выхода из пушки.
   2. Подготовьте два акриловых окна толщиной 1/8 дюйма с помощью лазерного гравера. Загрузите три дополнительных файла svg.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Есть три файла с пометкой «JoVE_AcrylicWindows_Step1_Engrave.svg»
      (Дополнительный файл 1), "JoVE_AcrylicWindows_....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Здесь мы предоставляем инструкции по созданию и использованию PPC и SSPPC, а также реализацию оптической диагностики для определения ударных характеристик и измерений скорости. Также приведены репрезентативные экспериментальные результаты. Готовые системы PPC и SSPPC, а также необходимые ак.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Мы представили метод построения КПК и ССППК наряду с оптической диагностикой для измерения скоростей шара и для характеристики распространения ударов вблизи выхода из пушки. Стандартная КПП построена с сечением 2 м из 1,5 трубы из ПВХ списка 80. Труба оснащена фланцами на каждом конце, бы?.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

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