风洞的物理原理

风洞的物理原理
在暑假中，我们学校组织学生进行企业生活体验时，我们小组被分配到了一家飞行体验馆，
在体验馆中有一个风洞，看完了风洞中令人眼花缭乱的飞行表演，不禁让我疑惑，飞行表演
人员是如何在风洞中飞上飞下的呢？
关于风洞，是这么介绍的：风洞（wind tunnel）即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控
制气流，用来模拟物体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理
现象的一种管道状实验设备，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

要想弄清楚表演人员在风洞中的运动状态，得从最简单的问题入手，先得知道风洞中使人漂
浮的最小速度是多少。

通过相关资料我了解到空气阻力的公式：
空气阻力F=1/2c·ρ·s·v²
C：空气阻力系数，与物体的光滑程度和整体形状有关
ρ：空气密度，通常取1.293g/L
S：物体的迎风面积
V：物体与空气的相对速度
一、漂浮的最小风速
由于系数C复杂多变，这里无法直接得出。

查阅资料可得v=50m/s。

那么，飞行表演人员又是如何实现在风洞中自由的上升和下落呢?
二、建立模型：假设人是一个长方体，平躺下的迎风面积为4S，竖直时的迎风面积为S。

状态1的迎风面积为4s，状态2的迎风面积为3s，状态3的迎风面积为2s，状态4的迎风
面积为s。

可以猜测风洞内以状态2漂浮时的风速为标准风速，以实现控制迎风面积来实现上升与下落。

由牛顿第三定律可知，此时重力与空气阻力等大反向。

（由于公式中有几个量不变，我们将
他们设为K，以便于计算，即F=k·s·v²）
所以 mg=k·3s·v0²
接下来计算其他状态平衡的运动状态时v的大小，（ v为以地面为参照系风洞内人的速度）
状态1：mg=k·4s·(v0-v) ²此时人向上飞 v=7.5m/s
状态3：mg=k·2s·(v0+v)²此时人向下飞 v=12.5m/s
状态4：mg=k·s·(v0+v) ²此时人向下飞 v=35m/s
既然平衡状态的速度如此大，是否代表在风洞中飞行存在危险呢？
风洞管道内的高度只有7m左右，人在风洞中又是否能达到这么大的速度呢？
下面进行计算：
1、假设人在底部时从状态2突然变成状态1，上升距离为5m时：
由于加速度与速度的平方成正比，不便直接计算来研究，下面将通过赋值的方法粗略的计算。

整理出v与加速度的关系、列表、并粗略的画出v-t图
由图像可知减速时间约为0.7s 位移约为1.2m
由计算可知风洞中人的飞行速度一般不会过大，比较安全。

而且风洞中的人能通过控制自己
的姿态从而改变迎风面积来控制自己的运动状态。

最后发现，计算结果基本符合客观实际。