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

Diese Arbeit wird von der NSF Division of Undergraduate Education (Auszeichnung # 2021157) im Rahmen des IUSE: EHR-Programms unterstützt

1. Bau und Montage der Tischtenniskanone (PPC)
<ol><li>Montieren Sie alle Komponenten der PPC gemäß Abbildung 1.</li>
	<li>Setzen Sie zwei hochtransparente Acrylfenster in die Seiten der Kanone ein, um eine optische Sondierung über das Innere der Kanone zu ermöglichen.<ol><li>Bohren Sie zwei 1/2 Löcher durch gegenüberliegende Seiten des PVC in der Nähe des Kanonenausgangs.</li>
		<li>Bereiten Sie zwei 1/8 in dicken Acrylfenstern mit einem Lasergravierer vor. Laden S...

<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>

Wir haben eine Methode zum Aufbau einer PPC und einer SSPPC sowie eine optische Diagnostik zur Messung von Kugelgeschwindigkeiten und zur Charakterisierung der Stoßausbreitung in der Nähe des Kanonenausgangs vorgestellt. Die Standard-PPC besteht aus einem 2 m langen Abschnitt von 1,5 in Schedule 80 PVC-Rohren. Das Rohr ist an beiden Enden mit Flanschen, Vakuum-Schnellverschlüssen und Acrylfenstern in der Nähe des Ausgangs für die Laserdiagnostik ausgestattet. Ein detailliertes Schema des PPC ist in <strong class="xf...

Die PPC ist eine beliebte physikalische Demonstration, die verwendet wird, um den immensen Luftdruck zu zeigen, dem Menschen ständig ausgesetzt sind 1,2,3,4,5. Bei der Demonstration wird ein Tischtennisball in einem Rohrabschnitt platziert, dessen Innendurchmesser ungefähr dem Durchmesser des Balls entspricht. Das Rohr wird an beiden Enden mit Klebeband abgedichtet und auf einen Innendruck von weniger als 2 Torr evakuiert. Das Band an einem Ende des Rohrs ist durchstochen, wodurch Luft in die Kanone eindringen kann und die Kugel Spitzenbeschleunigungen von etwa 5.000 g erfährt. Die Kugel, die allein durch den atmosphärischen Druck beschleunigt wird, verlässt die Kanone mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 m/s, nachdem sie 2 m zurückgelegt wurde.
Obwohl das PPC üblicherweise als einfache Demonstration des atmosphärischen Drucks betrieben wird, ist es auch eine Apparatur, die eine komplexe kompressible Strömungsphysik aufweist, was zu zahlreichen unbefristeten Studentenprojekten geführt hat. Die Dynamik des Balls wird durch sekundäre Faktoren wie die Wandreibung, das Austreten von Luft um den Ball herum und die Bildung von Stoßwellen durch den beschleunigenden Ball beeinflusst. Die erhebliche Beschleunigung des Balls führt zu einer Kompressionswelle mit großer Amplitude, die sich durch das Rohr vor dem Ball ausbreitet. Diese Kompressionen bewegen sich schneller als die lokale Schallgeschwindigkeit, was zu einer Versteilerung der Kompressionswelle und schließlich zur Bildung einer Stoßwelleführt 6. Frühere Arbeiten haben den raschen Druckaufbau am Ausgang des Rohres aufgrund der Reflexionen der Stoßwelle zwischen der Kugel und dem abgeklebten Ausgang des Rohres und das daraus resultierende Ablösen des Bandes vor dem Austritt der Kugel2 untersucht. Hochgeschwindigkeitsvideos mit einer Einspiegel-Schlieren-Bildgebungstechnik haben die Reaktion des Bandes auf die reflektierenden Stoßwellen und die eventuelle Ablösung des Bandes am Ausgang des PPC 7,8 gezeigt (Video 1). So dient das PPC sowohl als einfache Demonstration des Luftdrucks, die ein Publikum jeden Alters fasziniert, als auch als ein Gerät, das eine komplexe Strömungsphysik aufweist, die in einer Laborumgebung sehr detailliert untersucht werden kann.
Bei der Standard-PPC sind die Geschwindigkeiten der Tischtennisbälle durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. Diese Basisversion des PPC wird im Rahmen dieses Artikels behandelt, zusammen mit einer modifizierten Kanone, die verwendet wird, um den Ball auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. In früheren Arbeiten von French et al. wurden Überschall-Tischtennisballgeschwindigkeiten durch die Verwendung einer druckgesteuerten Strömung durch eine konvergierende-divergierende Düse 9,10,11 erreicht. Der hier vorgestellte SSPPC verwendet ein druckbeaufschlagtes (Treiber-)Rohr, um eine größere Druckdifferenz auf dem Tischtennisball zu erzeugen, als dies durch den atmosphärischen Druck allein erreicht wird. Eine dünne Polyestermembran wird verwendet, um das Mitnehmerrohr von dem evakuierten (angetriebenen) Rohr zu trennen, das die Kugel enthält. Diese Membran reißt bei ausreichendem Relativdruck (in der Regel 5-70 psi, abhängig von der Membrandicke) und beschleunigt so den Tischtennisball auf Geschwindigkeiten von bis zu Mach 1,4. Der Überschall-Ping-Pong-Ball erzeugt eine stehende Stoßwelle, wie mit Hochgeschwindigkeits-Schattendiagramm-Bildgebungsverfahren 7,12 (Video 2) zu sehen ist.
Ein HeNe-Laser mit geringer Leistung (Klasse II) wird verwendet, um optische diagnostische Studien über die Leistung der Kanone durchzuführen. Der HeNe-Laserstrahl ist in zwei Pfade aufgeteilt, wobei ein Pfad durch eine Reihe von Acrylfenstern in der Nähe des Ausgangs der Kanone verläuft und der zweite Pfad direkt hinter dem Ausgang der Kanone verläuft. Jeder Pfad endet auf einem Fotoempfänger und das Signal wird auf einem Zweikanal-Oszilloskop angezeigt. Die Oszilloskopspur, die während des Abfeuerns der Kanone aufgezeichnet wird, gibt Aufschluss sowohl über die Geschwindigkeit des beschleunigten Tischtennisballs als auch über die kompressible Strömung und die Stoßwellen, die dem Austritt der Kugel aus der Kanone vorausgehen. Die Geschwindigkeit des Tischtennisballs mit einem Durchmesser von 40 mm an jeder Strahlposition steht in direktem Zusammenhang mit der Zeit, in der der Ball den Strahl blockiert. Eine empfindliche "messerscharfe" Stoßdetektionseinrichtung wird erreicht, indem die Hälfte des Detektors mit einem Stück schwarzem Isolierband bedeckt und die Kante des Bandes in der Mitte des Strahls2 positioniert wird. Bei diesem Aufbau sind leichte Ablenkungen des He-Ne-Laserstrahls, die durch den kompressiblen strömungsinduzierten Index von Brechungsgradienten erzeugt werden, als Spannungsspitzen auf der Oszilloskopkurve deutlich sichtbar. Die Stoßwellen, die sich in Richtung des Kanonenausgangs ausbreiten, und die reflektierten Stoßwellen lenken den Strahl in entgegengesetzte Richtungen ab und werden daher entweder durch eine positive oder negative Spannungsspitze gekennzeichnet.
Hier geben wir Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung einer optimierten PPC und SSPPC sowie optische Diagnosetechniken (Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3). Die optischen diagnostischen Techniken und Messungen wurden in den vorangegangenen Studienjahren 1,2 entwickelt.

<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

Die traditionelle Ping-Pong-Kanone (PPC) ist ein pädagogisches Gerät, das einen Tischtennisball mit Hilfe des atmosphärischen Drucks auf nahezu Schallgeschwindigkeit durch ein evakuiertes Rohr schleudert. Der SSPPC, eine erweiterte Version des PPC, erreicht Überschallgeschwindigkeiten, indem er den Ball mit einem Druck beschleunigt, der größer als der atmosphärische Druck ist. Wir geben Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung eines optimierten PPC und SSPPC.
Optische Diagnostik wird eingesetzt, um die Kanonendynamik zu untersuchen. Ein HeNe-Laser, der durch zwei Acrylfenster in der Nähe des Rohrausgangs geschickt wird, wird auf einen Fotoempfängersensor terminiert. Ein Mikroprozessor misst die Zeit, in der der Strahl durch den Tischtennisball behindert wird, um automatisch die Geschwindigkeit des Balls zu berechnen. Die Ergebnisse werden sofort auf einem LCD-Display angezeigt. 
Ein optischer Messeraufbau bietet eine hochempfindliche Möglichkeit, Stoßwellen zu detektieren, indem ein Bruchteil des HeNe-Strahls am Sensor abgeschnitten wird. Stoßwellen verursachen brechungsbedingte Ablenkungen des Strahls, die als kleine Spannungsspitzen im elektrischen Signal des Fotoempfängers beobachtet werden. 
Die vorgestellten Methoden sind hochgradig reproduzierbar und bieten die Möglichkeit zur weiteren Untersuchung im Labor.

Hier geben wir Anleitungen für den Aufbau und die Verwendung eines PPC und eines SSPPC sowie die Durchführung der optischen Diagnostik zur Schockcharakterisierung und Geschwindigkeitsmessung. Repräsentative experimentelle Ergebnisse werden ebenfalls zur Verfügung gestellt. Die fertigen Systeme der PPC und SSPPC sowie das notwendige Zubehör sind in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Der SSPPC ist eine erweiterte Version des PPC, bei der ein treibender,...

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

Wir beschreiben eine Methode zum Bau einer Überschall-Ping-Pong-Kanone (SSPPC) sowie optische Diagnosetechniken zur Messung von Ballgeschwindigkeiten und zur Charakterisierung sich ausbreitender Stoßwellen während des Abfeuerns der Kanone.

Optische Hochgeschwindigkeitsdiagnostik einer Überschall-Ping-Pong-Kanone

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 ...

Wir bieten Anleitungen zum Bau und Betrieb einer Überschall-Tischtenniskanone sowie optische Diagnosetechniken zur Messung von Ballgeschwindigkeiten und zur Detektion von Stoßwellen. Der optische Messerkantenaufbau ist hochempfindlich gegenüber kleinen, traversen Ablenkungen eines Laserstrahls und bietet eine Möglichkeit zur Detektion von Stoßwellen, die mit der Kanone verbunden sind. Versorgen Sie zunächst die Fotoempfänger und das Lasermodul mit Strom, indem Sie sie an ein strombegrenztes 15-Volt-Netzteil und ein Lasernetzteil anschließen.Schließen Sie dann die Fotoempfänger mit BNC-Kabeln an die beiden Kanäle des Oszilloskops an. Für die optische Diagnoseeinrichtung platzieren Sie den Laser senkrecht zur hergestellten Kanone, wobei der erste Strahl durch die Acrylfenster im Rohr und der zweite direkt außerhalb des Kanonenausgangs verläuft. Legen Sie schwarzes Isolierband über die Hälfte des Fotoempfängersensors, um eine Messerkanten-Schockerkennung zu erstellen.Um ein Übersteuern zu vermeiden, stellen Sie die Strahlposition an der Messerkante so ein, dass die Basislinienspannung etwa 50 % des Maximums beträgt. Passen Sie als Nächstes die Einstellungen am Oszilloskop an, um 20 Millionen Datenpunkte zu sammeln. Stellen Sie mit dem Drehregler für die horizontale Skalierung die Datenerfassungsrate auf 500 Megahertz ein.Drehen Sie den Auslöseknopf, um bei einer Spannung auszulösen, die etwas unter der eingestellten Basislinie liegt, die vom Fotoempfänger erfasst wurde. Tragen Sie vor dem Abfeuern der PPC einen Gehör- und Augenschutz. Führen Sie einen Tischtennisball in den Ausgang der Kanone ein und blasen Sie leicht in das Ende der Kanone, bis er die Vakuumarmatur in der Nähe des Rohreingangs trifft.Versiegeln Sie den Austrittsflansch und die Acrylkappe der Kanone mit zwei Stücken quadratischem Klebeband. Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl auf der Messerkante zentriert ist, der Abzug richtig positioniert ist und der Fangbehälter sicher ist. Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um die Leitung auf einen reduzierten Absolutdruck von weniger als zwei Torr zu evakuieren.Sobald ein ausreichendes Vakuum erreicht ist, verwenden Sie eine Jagdspitze, um das Klebeband am Eingang zu durchstechen. Schalten Sie nach dem Brennen die Vakuumpumpe aus und entfernen Sie das restliche Klebeband vom Austrittsflansch und der Acrylkappe. Um die Überschall-PPC zu zünden, schließen Sie das Ventil, das das Treiberrohr mit dem Luftkompressor verbindet, und füllen Sie den Luftkompressortank.Blasen Sie den Ball, wie zuvor demonstriert. Nachdem Sie den Überschall-PPC-Austrittsflansch abgedichtet haben, setzen Sie eine dünne, vorgeschnittene Polyestermembran zwischen zwei Gummidichtungen ein und platzieren Sie sie zwischen dem Mitnehmer und den angetriebenen Abschnitten der Kanone. Verbinden Sie die beiden Abschnitte mit vier Nockenklemmen.Sobald der Druck in der Leitung reduziert ist, lassen Sie den Druck vom Luftkompressor in das Treiberrohr ab, sodass der Druck ansteigen kann, bis die Membran reißt und die Druckluft im Treiberrohr das evakuierte angetriebene Rohr füllt. Schalten Sie nach der Überschall-PPC-Zündung den Luftkompressor und die Vakuumpumpe aus. Entfernen Sie die gerissene Polyestermembran und das Klebeband von der Kanone.Die sich ausbreitende Stoßwelle, die während des gesamten Kanonenfeuers reflektiert wurde, wurde durch eine Änderung der Spannung in Bezug auf die Zeit dargestellt. Eine positive oder negative Spitze zeigt die Richtung der Stoßwelle im Signal an, und die Geschwindigkeit wurde anhand der quadratischen Pulsbreite berechnet, die durch das Abschneiden des Strahls durch die Kugel erzeugt wird. Ein Mikroprozessor wurde verwendet, um das Signal des Strahls, der das Rohrinnere durchquert, zu verarbeiten, um die Kugelgeschwindigkeit in der Nähe des Kanonenausgangs automatisch zu berechnen und anzuzeigen.Die Oszilloskopspuren demonstrierten die zweikanalige Befeuerung des Überschall-PPC. Die obere Spur stellt den Strahl dar, der das Innere der Kanone in der Nähe des Ausgangs durchquert. Die untere Spur hingegen entspricht dem Strahl, der nach dem Verlassen der Kanone die Bahn des Tischtennisballs durchquert.Ein Cutoff-Signal zeigte an, dass die Kugel vorbeiflog und jeden Strahl behinderte. Das Diagramm der Druckdifferenz über die Machzahl zeigte, dass 0,001 und 0,002 Zoll dicke Membranen bei ausreichender Druckdifferenz reißen, um den Tischtennisball auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Kugelgeschwindigkeit war konstant größer als Mach 1,3 mit einer 0,002 Zoll dicken Membran.Die vorgestellte Überschall-Ping-Pong-Kanone und die optische Diagnostik werden den Wert der Kanone sowohl als Demonstrationsgerät als auch als Apparatur für anschließende Laborexperimente steigern.

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Research

Education

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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.

Bau und Erprobung von Knopfzellen von Lithium Ionen Batterien

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

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.

Optical Trapping von Nanopartikeln

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.

High-Auflösung, High-Speed-, Three-dimensional Imaging mit Digital-Video-Streifenprojektionstechnik

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.

Bau einer Hohe Auflösung Mikroskop mit Konventionelle und 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 ...

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-Particle Image Velocimetry Nahe 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.

Visualisierung von High-Speed-Flüssigkeitsstrahl-Impaction auf einer sich bewegenden Oberfläche

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.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

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.

Schreiben-Bragg-Gitter 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-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

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