有史以来，乒乓球选手击出的最快球速约为70英里/小时(113km/h)。普杜大学机械工程系教授Mark French以及他的研究生们(Craig Zehrung和Jim Stratton)，已经在课堂上造出了一把演示用的气枪，能将乒乓球以1.2马赫(900mph或1448km/h)的速度射出。如下图所示，这个速度足以在标准的球拍表面打出一个大孔。



互联网上有各种使用储压方式击出乒乓球的方案，速度在100-300mph(161-483km/h)之间。最简单的案例是，"枪支"由一个刚好可以放下乒乓球的开放管(通常为PVC管)组成。管的每端由足以承受大气压的薄膜密封，而管中的空气已被抽除。


若要"开火"，只需把乒乓球贴近后膜，再(通过刀子或尖刺)弄出一个缺口。涌入的空气会加速乒乓球，并吹破前膜。尽管有些设计还包括了一台空气压缩机，但管中的空气受到气流法则的约束，其速度远低于音速。



French教授和他的学生们希望制定一个拉瓦尔喷嘴(convergent-divergent nozzle)如何让亚音速气流升至超音速的演示。由上图所示，(左端的)喷嘴入口处有一个压力源。在这一点，压力和温度都是大的，但速度是低的(气体的膨胀不是由总压驱动，而是梯度的)。以另一种方式看，在喷嘴的入口处，气体还没有扩展到真空中，而是进入了一个压力几乎一样的区域。



当气体流经所述喷嘴的汇聚部，其速度增加。气体无处可去，因此压缩流体通过一个较小的直径时速度会增加。在其"咽喉部"(直径最小的地方)，气体速度达到 音速。此时，较大的进气压力将不会让气体变得更快(这种情况叫做"扼流"，chocked flow)。随着气体在喉部膨胀到分叉(出口)部分，其温度和压力将被转化为更大的超音速。



为了验证"亚音速-超音速流"的转换，French教授及其团队设计了如上所示的"气枪"，压力容器的尾端由层压胶带(Laminating tape)封口。两端的喷嘴和枪筒都被排空，因此气体流会是畅通无阻的。总的来说，"枪"的长度略小于12英尺(3.65米)。



如需"开枪"，容器内的压力将会增加，直至胶带破裂。French发现2层的胶带会在60psi(414千帕)左右破裂，而3层胶带则在90psi(620千帕)左右。球速通过一台高速摄像机拍摄的带刻度的画面来测量，典型的速度略超1448km/h(900mph)——也可称之为1.23马赫——这已是苏联时代的米格19战机的最高速度。


[来源：arXiv.com(PDF) , via MIT Technology Review]
[编译自：gizmag]