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.
