Name: high-speed optical diagnostics of a supersonic ping-pong cannon
Uploaded: 2023-03-24T13:10:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon at JoVE.com

Dit werk wordt ondersteund door de NSF Division of Undergraduate Education (award # 2021157) als onderdeel van het IUSE: EHR-programma

1. Bouw en montage van het pingpongkanon (PPC)
<ol><li>Monteer alle componenten van de PPC volgens figuur 1.</li>
	<li>Plaats twee zeer heldere acrylvensters in de zijkanten van het kanon om optisch onderzoek door het binnenste van het kanon mogelijk te maken.<ol><li>Boor twee 1/2 in gaten door tegenovergestelde zijden van het PVC in de buurt van de uitgang van het kanon.</li>
		<li>Bereid twee 1/8 in dikke acrylvensters met behulp van een lasergraveur. Download de drie aa...

<ol>
	<li>Peterson, R. W., Pulford, B. N., Stein, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+ping-pong+cannon:+A+closer+look.">The ping-pong cannon: A closer look.</a> The Physics Teacher. 43 (1), 22-25 (2005).</li><li>Olson, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+shock+waves+in+expansion+tube+accelerators.">The role of shock waves in expansion tube accelerators.</a> American Journal of Physics. 74 (12), 1071-1076 (2006).</li><li>Cockman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+vacuum+bazooka.">Improved vacuum bazooka.</a> The Physics Teacher. 41 (4), 246-247 (2003).</li><li>Ayars, E., Buchholtz, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+the+vacuum+cannon.">Analysis of the vacuum cannon.</a> American Journal of Physics. 72 (7), 961-963 (2004).</li><li>Thuecks, D. J., Demas, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+effect+of+air-intake+aperture+size+in+the+ping-pong+ball+cannon.">Modeling the effect of air-intake aperture size in the ping-pong ball cannon.</a> American Journal of Physics. 87 (2), 136-140 (2019).</li><li>Liepmann, H. W., Roshko, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Elements of gas dynamics. , (1957).</li><li>Settles, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Schlieren and shadowgraph techniques. , (2001).</li><li>Geisert, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+single+mirror+schlieren+optical+system.">A single mirror schlieren optical system.</a> American Journal of Physics. 52 (5), 467 (1984).</li><li>French, R. M., Gorrepati, V., Alcorta, E., Jackson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+mechanics+of+a+ping-pong+ball+gun.">The mechanics of a ping-pong ball gun.</a> Experimental Techniques. 32 (1), 24-30 (2008).</li><li>French, M., Zehrung, C., Stratton, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+supersonic+ping-pong+gun.">A supersonic ping-pong gun.</a> arXiv. , (2013).</li><li>French, F., Choudhuri, R., Stratton, J., Zehrung, C., Huston, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+modular+supersonic+ping-pong+gun.">A modular supersonic ping-pong gun.</a> arXiv. , (2018).</li><li>Fredrick, C. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complementary+studies+on+supersonic+nozzle+flow:+heterodyne+interferometry,+high-speed+video+shadowgraphy,+and+numerical+simulation.">Complementary studies on supersonic nozzle flow: heterodyne interferometry, high-speed video shadowgraphy, and numerical simulation.</a> WIT Transactions on Modelling and Simulation. 59, 223-234 (2015).</li></ol>

We hebben een methode gepresenteerd voor de constructie van een PPC en een SSPPC, samen met optische diagnostiek voor het meten van kogelsnelheden en voor de karakterisering van schokvoortplanting bij de uitgang van het kanon. De standaard PPC is gebouwd met een 2 m sectie van 1,5 in schema 80 PVC buis. De buis is voorzien van flenzen aan elk uiteinde, snelkoppelingen en acrylramen bij de uitgang voor laserdiagnostiek. Een gedetailleerd schema van de PPC is weergegeven in figuur 1. Voorafgaa...

De PPC is een populaire natuurkundige demonstratie die wordt gebruikt om de immense luchtdruk te laten zien waaraan mensen voortdurend worden blootgesteld 1,2,3,4,5. De demonstratie omvat de plaatsing van een pingpongbal in een stuk pijp met een binnendiameter die ongeveer gelijk is aan de diameter van de bal. De buis wordt aan elk uiteinde afgesloten met tape en geëvacueerd tot een interne druk van minder dan 2 Torr. De tape aan het ene uiteinde van de pijp wordt doorboord, waardoor lucht het kanon kan binnendringen en de bal piekversnellingen van ongeveer 5.000 g ervaart. De kogel, die alleen door atmosferische druk wordt versneld, verlaat het kanon met een snelheid van ongeveer 300 m/s na een reis van 2 m.
Hoewel de PPC vaak wordt gebruikt als een eenvoudige demonstratie van atmosferische druk, is het ook een apparaat dat complexe samendrukbare stromingsfysica vertoont, wat heeft geresulteerd in tal van open studentenprojecten. De dynamiek van de bal wordt beïnvloed door secundaire factoren zoals wandwrijving, het lekken van lucht rond de bal en de vorming van schokgolven door de versnellende bal. De aanzienlijke versnelling van de bal introduceert een compressiegolf met grote amplitude die door de buis voor de bal reist. Deze compressies reizen sneller dan de lokale geluidssnelheid, wat resulteert in een steiler worden van de compressiegolf en de uiteindelijke vorming van een schokgolf6. Eerder werk heeft de snelle opbouw van druk bij de uitgang van de buis bestudeerd als gevolg van de reflecties van de schokgolf tussen de bal en de afgeplakte uitgang van de buis en de resulterende loslating van de tape voorafgaand aan de uitgang van de bal2. High-speed video met behulp van een single-mirror schlieren imaging techniek heeft de reactie van de tape op de reflecterende schokgolven en de uiteindelijke loslating van de tape bij de uitgang van de PPC 7,8 onthuld (Video 1). De PPC dient dus zowel als een eenvoudige demonstratie van luchtdruk die het publiek van alle leeftijden intrigeert als als een apparaat met complexe vloeistoffysica, die in detail kan worden bestudeerd in een laboratoriumomgeving.
Bij de standaard PPC worden de pingpongbalsnelheden beperkt door de snelheid van het geluid. Deze basisversie van de PPC wordt behandeld in het bestek van dit artikel, samen met een aangepast kanon dat wordt gebruikt om de bal tot supersonische snelheden te boosten. In eerder werk van French et al. zijn supersonische pingpongbalsnelheden bereikt door gebruik te maken van drukgestuurde stroming door een convergerend divergerend mondstuk 9,10,11. De hier gepresenteerde SSPPC maakt gebruik van een onder druk staande (driver) pijp om een groter drukverschil op de pingpongbal te bieden dan alleen door atmosferische druk wordt geleverd. Een dun polyester membraan wordt gebruikt om de driverpijp te scheiden van de geëvacueerde (aangedreven) pijp die de kogel bevat. Dit diafragma scheurt bij voldoende gagedruk (over het algemeen 5-70 psi, afhankelijk van de dikte van het membraan), waardoor de pingpongbal wordt versneld tot snelheden tot Mach 1,4. De supersonische pingpongbal produceert een staande schokgolf, zoals te zien is met behulp van high-speed shadowgraph imaging technieken 7,12 (Video 2).
Een low-power (klasse II) HeNe-laser wordt gebruikt om optische diagnostische studies uit te voeren naar de prestaties van het kanon. De HeNe-laserstraal is verdeeld in twee paden, waarbij het ene pad door een reeks acrylvensters bij de uitgang van het kanon loopt en het tweede pad net voorbij de uitgang van het kanon. Elk pad eindigt op een foto-ontvanger en het signaal wordt weergegeven op een tweekanaals oscilloscoop. Het oscilloscoopspoor dat is geregistreerd tijdens het afvuren van het kanon onthult informatie over zowel de snelheid van de versnelde pingpongbal als de samendrukbare stroming en schokgolven die voorafgaan aan het verlaten van de bal uit het kanon. De snelheid van de pingpongbal met een diameter van 40 mm op elke balklocatie is direct gerelateerd aan de tijd dat de bal de balk blokkeert. Een gevoelige "messcherpe" schokdetectie-opstelling wordt bereikt door de helft van de detector te bedekken met een stuk zwarte elektrische tape en de rand van de tape in het midden van de bundel2 te plaatsen. Met deze opstelling zijn lichte afbuigingen van de He-Ne-laserstraal, geproduceerd door de samendrukbare stroomgeïnduceerde index van brekingsgradiënten, duidelijk zichtbaar als spanningspieken op het oscilloscoopspoor. De schokgolven die naar de uitgang van het kanon reizen en de gereflecteerde schokgolven buigen de straal in tegengestelde richtingen af en worden daarom geïdentificeerd door een positieve of negatieve spanningspiek.
Hier geven we instructies voor de constructie en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC, evenals optische diagnostische technieken (figuur 1, figuur 2 en figuur 3). De optische diagnostische technieken en metingen zijn ontwikkeld door middel van eerdere jaren van studie 1,2.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>15 V Current Limited Power Supply</td>
			<td>New Focus</td>
			<td>0901</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2&#34; x 6&#34; Plank</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>BTR KD-HT S</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5.0&#34; 40-pin 800 x 480 TFT Display</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>1680</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Absolute Pressure Gauge</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>1791T3</td>
			<td>0&#8211;20 Torr | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Air Compressor</td>
			<td>Porter Cable</td>
			<td>C2002</td>
			<td>6 gallon | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arduino UNO Rev3</td>
			<td>Arduino</td>
			<td>A000066</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ASME-Code Fast-Acting Pressure-Relief Valve 
			for Air</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5784T13</td>
			<td>Nickel-Plated, 3/8 NPT, 125 PSI Set Pressure | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black Electrical Tape</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>76455A21</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BNC Cable</td>
			<td>Digikey Number</td>
			<td>115-095-850-277M050-ND</td>
			<td>Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Broadband Dielectric Mirror</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>BB05-E02</td>
			<td>400&#8211;750 nm, &#216;1/2&#34; | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-Clamp</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5133A15</td>
			<td>3&#34; opening, 2&#34; reach | Quantity: 6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cam Clamp</td>
			<td>Rockler</td>
			<td>58252</td>
			<td>Size: 5/16&#34;-18 | Quantity: 2 (2 pack)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Pressure Gauge</td>
			<td>Omega Engineering, Inc.</td>
			<td>DPG104S</td>
			<td>0&#8211;100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Pressure Gauge</td>
			<td>Omega Engineering, Inc.</td>
			<td>DPG104S</td>
			<td>0&#8211;100 Psi Absolute Pressure, With Output and Alarms | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Draw Latch</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>1889A37</td>
			<td>Size: 3 3/4&#34; x 7/8&#34; | Quantity: 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Driver Board for 40-pin TFT Touch Displays</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>1590</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Full Faced EPDM Gasket</td>
			<td>PVC Fittings Online</td>
			<td>155G125125FF150</td>
			<td>Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gasket Material</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>9470K41</td>
			<td>15&#34; x 15&#34;, 1/8&#34; thick | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glowforge Plus</td>
			<td>Glowforge</td>
			<td>Glowforge Plus</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HeNe Laser</td>
			<td>Uniphase</td>
			<td>1108</td>
			<td>Class 2 | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Tack Box Sealing Tape</td>
			<td>Scotch</td>
			<td>53344</td>
			<td>72 mm wide&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser Power Supply</td>
			<td>Uniphase</td>
			<td>1201-1</td>
			<td>115 V .12 A | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LM311 Comparator</td>
			<td>Digikey Electronics</td>
			<td>296-1389-5-ND</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirror Mount</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>FMP05</td>
			<td>Fixed &#216;1/2&#34;, 8&#8211;32 Tap | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moisture-Resistant Polyester Film</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8567K102</td>
			<td>10&#39; x 0.0005&#34; x 27&#34; | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moisture-Resistant Polyester Film</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8567K12</td>
			<td>10&#39; x 0.001&#34; x 40&#34; | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moisture-Resistant Polyester Film</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8567K22</td>
			<td>10&#39; x 0.002&#34; x 40&#34; | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mourtise-Mount Hinge with Holes</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>1598A52</td>
			<td>Size: 1&#34; x 1/2&#34; | Quantity: 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needle Valve</td>
			<td>Robbins Aviation Inc</td>
			<td>INSG103-1P</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Non-Polarizing Cube Beamsplitters</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>BS037</td>
			<td>Size: 10 mm | Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nonmetallic PVC Schedule 40</td>
			<td>Cantex</td>
			<td>A52BE12</td>
			<td>Quantity: 2.5 m&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oatey PVC Cement and Primer</td>
			<td>PVC Fittings Online</td>
			<td>30246</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil-Resistant Compressible Buna-N Gasket with Holes and Adhesive</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8516T454</td>
			<td>1-1/2 Pipe Size, ANSI 150, 1/16&#34; Thick | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilliscope</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>TBS2102</td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoreceiver</td>
			<td>New Focus</td>
			<td>1801</td>
			<td>125-MHz | Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ping Pong Balls</td>
			<td>MAPOL</td>
			<td>FBA_MP-001</td>
			<td>Three Star</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Platform Mount for 10mm Beamsplitter and Right-Angle Prisms</td>
			<td>THORLABS</td>
			<td>BSH10</td>
			<td>4-40 Tap | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Proofgrade High Clarity Clear Acrylic</td>
			<td>Glowforge</td>
			<td>NA</td>
			<td>Thickness: 1/8&#34; | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sch 80 PVC Cap</td>
			<td>PVC Fittings Online</td>
			<td>847-040</td>
			<td>Size: 4&#34; | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sch 80 PVC Pipe</td>
			<td>PVC Fittings Online</td>
			<td>8008-040AB-5</td>
			<td>Quantity: 5 ft</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sch 80 PVC Reducer Coupling</td>
			<td>PVC Fittings Online</td>
			<td>829-419</td>
			<td>Size: 4&#34; x 1-1/2&#34; | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sch 80 PVC Slip Flange</td>
			<td>PVC Fittings Online</td>
			<td>851-015</td>
			<td>Size: 1 1/2&#34; | Quantity: 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone Sealant Dow Corning</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>7587A2</td>
			<td>3 oz. Tube, Clear | Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel Corner Bracket</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>1556A42</td>
			<td>Size: 1 1/2&#34; x 1 1/2&#34; x 1/2&#34; | Quantity: 16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum Pump</td>
			<td>Mastercool</td>
			<td>&#160;MSC-90059-MD</td>
			<td>1 Stage, 1.5 CFM, 1/6HP, 115V/60HZ</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-speed optical diagnostics of a supersonic ping-pong cannon

Het traditionele pingpongkanon (PPC) is een educatief apparaat dat een pingpongbal door een geëvacueerde pijp lanceert tot bijna sonische snelheden met alleen atmosferische druk. De SSPPC, een verbeterde versie van de PPC, bereikt supersonische snelheden door de bal te versnellen met meer dan atmosferische druk. Wij geven instructies voor de bouw en het gebruik van een geoptimaliseerde PPC en SSPPC.
Optische diagnostiek wordt geïmplementeerd met het oog op het onderzoeken van de kanondynamica. Een HeNe-laser die door twee acrylvensters bij de uitgang van de buis wordt gestuurd, wordt afgesloten op een fotoontvangersensor. Een microprocessor meet de tijd dat de bundel wordt belemmerd door de pingpongbal om automatisch de snelheid van de bal te berekenen. De resultaten worden direct gepresenteerd op een LCD display. 
Een optische mesrandopstelling biedt een zeer gevoelige manier om schokgolven te detecteren door een fractie van de HeNe-straal bij de sensor af te snijden. Schokgolven veroorzaken brekingsgeïnduceerde afbuigingen van de bundel, die worden waargenomen als kleine spanningspieken in het elektrische signaal van de fotoontvanger. 
De gepresenteerde methoden zijn zeer reproduceerbaar en bieden de mogelijkheid voor verder onderzoek in een laboratoriumomgeving.

Hier geven we instructies voor de constructie en het gebruik van een PPC en een SSPPC, samen met de implementatie van de optische diagnostiek voor schokkarakterisering en snelheidsmetingen. Er worden ook representatieve experimentele resultaten verstrekt. De voltooide systemen van de PPC en SSPPC, samen met de benodigde accessoires, zijn weergegeven in figuur 1 en figuur 2. De SSPPC is een verbeterde versie van de PPC, waarbij een aangedreven, onder druk staand ...

Watch this Scientific Journal Video about High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon at JoVE.com

High-Speed Optical Diagnostics of a Supersonic Ping-Pong Cannon

We beschrijven een methode voor de constructie van een supersonisch pingpongkanon (SSPPC) samen met optische diagnostische technieken voor het meten van balsnelheden en de karakterisering van voortplantende schokgolven tijdens het afvuren van het kanon.

High-speed optische diagnostiek van een supersonisch pingpongkanon

The traditional ping-pong cannon (PPC) is an educational apparatus that launches a ping-pong ball down an evacuated pipe to nearly sonic speeds using ...

We geven instructies voor het bouwen en bedienen van een supersonisch pingpongkanon, samen met optische diagnostische technieken voor het meten van balsnelheden en het detecteren van schokgolven. De optische mesrandopstelling is zeer gevoelig voor kleine, doorkruisende afbuigingen van een laserstraal en biedt een middel voor het detecteren van schokgolven die verband houden met het kanon. Om te beginnen voedt u de foto-ontvangers en lasermodule door ze aan te sluiten op een 15 volt stroombeperkte voeding en laservoeding.Bevestig vervolgens de foto-ontvangers aan de twee kanalen van de oscilloscoop met behulp van BNC-kabels. Voor optische diagnostische opstelling plaatst u de laser loodrecht op het gefabriceerde kanon met de eerste straal die door de acrylvensters in de pijp loopt en de tweede net buiten de uitgang van het kanon. Plaats zwarte elektrische tape over de helft van de sensor van de foto-ontvanger en creëer een schokdetectie-instelling met mesranden.Om clipping te voorkomen, past u de positie van de balk op de mesrand zo aan dat de basisspanning ongeveer 50% van het maximum is. Pas vervolgens de instellingen op de oscilloscoop aan om 20 miljoen datapunten te verzamelen. Gebruik de horizontale schaalknop om de data-acquisitiesnelheid in te stellen op 500 megahertz.Draai aan de triggerknop om te struikelen bij een spanning die iets onder de ingestelde basislijn ligt die is verkregen van de foto-ontvanger. Voordat u de PPC afvuurt, draagt u oor- en oogbescherming. Steek een pingpongbal in de uitgang van het kanon en blaas lichtjes in het uiteinde van het kanon totdat het de vacuümfitting bij de ingang van de pijp raakt.Sluit de uitgangsflens en acryldop van het kanon af met twee stukken vierkante tape. Zorg ervoor dat de laserstraal gecentreerd is op de rand van het mes, dat de trekker correct is geplaatst en dat de vangcontainer veilig is. Zet de vacuümpomp aan om de leiding te evacueren naar een verlaagde absolute druk van minder dan twee Torr.Zodra een voldoende vacuüm is bereikt, gebruikt u een breedkoppunt om de tape bij de ingang door te prikken. Schakel na het bakken de vacuümpomp uit en verwijder eventuele resterende tape van de uitgangsflens en de acryldop. Voor het afvuren van de supersonische PPC sluit u de klep die de driverpijp met de luchtcompressor verbindt en vult u de luchtcompressortank.Blaas de bal, zoals eerder aangetoond. Na het afdichten van de supersonische PPC-uitgangsflens, plaatst u een dun voorgesneden polyester membraan tussen twee rubberen pakkingen en plaatst u deze tussen de driver van het kanon en de aangedreven secties. Verbind de twee secties met behulp van vier nokklemmen.Zodra de druk in de buis is verlaagd, laat u de druk van de luchtcompressor los in de driverleiding, waardoor de druk kan toenemen totdat het membraan scheurt en de perslucht in de driverpijp de geëvacueerde aangedreven pijp vult. Schakel na het supersonische PPC-stoken de luchtcompressor en de vacuümpomp uit. Verwijder het gescheurde polyester membraan en tape van het kanon.De zich voortplantende schokgolf, die gedurende het hele kanonvuurproces werd weerspiegeld, werd weergegeven door een verandering in spanning ten opzichte van de tijd. Een positieve of negatieve piek toont de richting van de schokgolf in het signaal en de snelheid werd berekend door de vierkante pulsbreedte, geproduceerd door de kogel die de bundel afsnijdt. Een microprocessor werd gebruikt om het signaal van de straal die de binnenkant van de pijp doorkruiste te verwerken om automatisch de kogelsnelheid in de buurt van de uitgang van het kanon te berekenen en weer te geven.De oscilloscoopsporen demonstreerden het tweekanaals afvuren van de supersonische PPC. Het bovenste spoor vertegenwoordigt de balk die het binnenste van het kanon doorkruist, in de buurt van de uitgang. Terwijl het onderste spoor overeenkomt met de balk die het pingpongbalpad doorkruist na het verlaten van het kanon.Een afsnijsignaal gaf aan dat de bal passeerde en elke balk belemmerde. De plot van drukverschil versus Mach-getal onthulde dat 0,001 en 0,002 inch dikke diafragma's scheuren bij voldoende drukverschil om de pingpongbal tot supersonische snelheid te versnellen. De balsnelheid was consequent groter dan Mach 1.3 met een 0.002 inch dik diafragma.Het gepresenteerde supersonische pingpongkanon en de optische diagnostiek zullen de waarde van het kanon vergroten, zowel als demonstratieapparaat als als apparaat voor vervolglaboratoriumexperimenten.

high-speed-optical-diagnostics-of-a-supersonic-ping-pong-cannon

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinematics of a Particle

SCIENTISTS IN ACTION

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Bouw en testen van Coin Cellen van Lithium Ion batterijen

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Fabriceren Metamaterialen Met behulp van de Fiber tekenmethode

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

Optische overvullen van nanodeeltjes

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

Bouw van een hoge resolutie microscoop met conventionele en holografische optische Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The complex nature of these flows may be studied using particle image velocimetry (PIV), a laser-based imaging technique for optically accessible flows. Though many forms of PIV exist that extend the technique beyond the original planar two-component velocity measurement capabilities, the basic PIV system consists of a light source (laser), a camera, tracer particles, and analysis algorithms. The imaging and recording parameters, the light source, and the algorithms are adjusted to optimize the recording for the flow of interest and obtain valid velocity data. 
Common PIV investigations measure two-component velocities in a plane at a few frames per second. However, recent developments in instrumentation have facilitated high-frame rate (&gt; 1 kHz) measurements capable of resolving transient flows with high temporal resolution. Therefore, high-frame rate measurements have enabled investigations on the evolution of the structure and dynamics of highly transient flows. These investigations play a critical role in understanding the fundamental physics of complex flows.
A detailed description for performing high-resolution, high-speed planar PIV to study a transient flow near the surface of a flat plate is presented here. Details for adjusting the parameter constraints such as image and recording properties, the laser sheet properties, and processing algorithms to adapt PIV for any flow of interest are included.

A procedure for studying transient flows near boundaries using high-resolution, high-speed particle image velocimetry (PIV) is described here. PIV is a non-intrusive measurement technique applicable to any optically accessible flow by optimizing several parameter constraints such as the image and recording properties, the laser sheet properties, and analysis algorithms.

High-speed stromingsvisualisatie Dichtbij Surfaces

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds between 0 and 25 m/sec) and a spinning disk device (for examining surface speeds between 15 and 100 m/sec). The air cannon linear traverse is a pneumatic energy-powered system that is designed to accelerate a metal rail surface mounted on top of a wooden projectile. A pressurized cylinder fitted with a solenoid valve rapidly releases pressurized air into the barrel, forcing the projectile down the cannon barrel. The projectile travels beneath a spray nozzle, which impinges a liquid jet onto its metal upper surface, and the projectile then hits a stopping mechanism. A camera records the jet impingement, and a pressure transducer records the spray nozzle backpressure. The spinning disk set-up consists of a steel disk that reaches speeds of 500 to 3,000 rpm via a variable frequency drive (VFD) motor. A spray system similar to that of the air cannon generates a liquid jet that impinges onto the spinning disc, and cameras placed at several optical access points record the jet impingement. Video recordings of jet impingement processes are recorded and examined to determine whether the outcome of impingement is splash, splatter, or deposition. The apparatuses are the first that involve the high speed impingement of low-Reynolds-number liquid jets on high speed moving surfaces. In addition to its rail industry applications, the described technique may be used for technical and industrial purposes such as steelmaking and may be relevant to high-speed 3D printing.

Two experimental devices for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device and a spinning disk device. The apparatuses are used to determine optimal approaches to the application of liquid friction modifier (LFM) onto rail tracks for top-of-rail friction control.

Visualisatie van High Speed ​​Liquid Jet Impactie op een bewegend oppervlak

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Fabricage en exploitatie van een Nano-Optical transportband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Het schrijven van Bragg Roosters in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact Lens-less Digitale Holografische Microscoop voor MEMS Inspectie en karakterisering

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...