湖南师大附中 樊 卓
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。
论文作者:樊卓
论文发表刊物:《创新人才教育》2018年第10期
论文发表时间:2018/11/12
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