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用风洞“捕风捉影”

①在神魔小说《西游记》中,天庭中的风神是风婆婆和巽(xùn)二郎。他们有一个大口袋,口袋打开后就能起风,口袋收住风就停了。研究流体力学的科学家也有这样一个“口袋”,并且功能更加强大:它能制造风,能研究风中的飞行器,还能帮助运动员逆风飞扬。这个能“捕风捉影”的“神器”就是风洞。

②风洞是现代空气动力学研究和试验中使用最广泛的工具之一。它是一种管道状的试验设备,可以人工控制风量与风速,用于测量空气流经物体时所产生的气动效应。它不但在航空航天业中起重要作用,还可以用于设计汽车、火车等交通工具,甚至可以模拟测试舰船在水流中的状况、测量高层建筑和大型桥梁的风压、控制火灾、规划城市等。

③为什么风洞的适用对象这样广泛呢?因为在空气中运动的物体都会涉及空气动力问题,而静止的物体由于风的作用,会产生空气动力问题。当这些问题对物体产生较大影响时,就必须做风洞试验。

④风洞试验的优点有很多。首先,它符合科学。依据运动的相对性原理,风洞测试的数据适用于试验对象在真实状态下的相关情况。比如,设计师在设计飞行器时,可以参考在飞行器不动而空气动的状态下风洞试验的数据。其次,它成本低。比如美国在设计建造第一代航天飞机时,历经约十万小时的风洞试验,如果在大气层中进行相关实验,成本将是一个天文数字。再次,它可控性强。因为是在实验室中进行,所以科学家可以根据试验对象确定风洞空间的大小、风速的快慢,可以模拟试验对象在高温、低温等状态下的化学反应,可以利用烟幕和激光灯来模拟气流等。最后,它可重复性高。科学家能在试验中准确测试并记录相关数据,然后利用这些数据调整试验的环境和步骤。风洞便于开展科学试验,就像摄影棚便于影视剧拍摄一样,难怪它颇受科学家的重视。

⑤怎样进行风洞试验呢?以飞行器为例,首先,将飞行器的缩尺模型或实物放置于风洞中,使其保持静止状态;然后,人工制造气流,模拟实际飞行时飞行器的各种情况;接着,利用高灵敏仪器测试飞行器各部位的受力情况,记录其表面与周围空气的流动状况;最后,科学家根据试验结果为飞行器的设计与制造给出建议,或者调整相关数据进一步测试。

⑤冬奥会上有些竞速类运动员也会使用风洞进行训练。在这些项目中,毫秒之差决定胜负,只有保持空气阻力最小的动作,才能领先于对手,所以需要借助特制的风洞确定比赛时的最佳姿势与动作。2020年,中国国家体育总局与航天部门合作,建成了两个体育风洞。体育风洞不但具备安全性和人性化特点,而且可以拍摄、存储画面,记录运动员的姿势、重心变化等数据,为训练提供参考。

⑥唐代诗人王勃说风“来去固无迹,动息如有情”,但在科学家眼中,风“来去不再无踪迹,动息依然如有情”。

(文/孙伟敬,选自《知识窗》,略有改动)

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