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風洞的前輩是誰？

2018-02-26 11:55:28·  
　
風洞是利用運動相對性原理和流動相似性原理，模擬飛行器或地面車輛周圍氣流狀態(tài)和環(huán)境條件的人造管道，是空氣動力學研究的重要試驗設(shè)備。那么在空氣動力學研究早期，工程師們使用了什么設(shè)備進行研究？本期文章將帶你了解風洞父輩的故事。能夠御風而行，是人類千百年來的夢想，早期的科學家為了能夠?qū)崿F(xiàn)人類飛翔的夢想，在各


 
風洞是利用運動相對性原理和流動相似性原理，模擬飛行器或地面車輛周圍氣流狀態(tài)和環(huán)境條件的人造管道，是空氣動力學研究的重要試驗設(shè)備。那么在空氣動力學研究早期，工程師們使用了什么設(shè)備進行研究？本期文章將帶你了解風洞父輩的故事。
 
能夠御風而行，是人類千百年來的夢想，早期的科學家為了能夠?qū)崿F(xiàn)人類飛翔的夢想，在各種方面進行了勇敢的探索，可以說1903年12月7日北卡羅萊納基蒂霍克海灘上那凌空一躍飽含了先驅(qū)們大無畏精神的勇氣。
 
在陸地，人們在更早的時候便開始了對極速的追求，從1880年第一輛汽車的16km/h逐漸提升，不斷刷新陸地地面車輛行駛的極限。
 
不論是天空還是陸地，在人們對速度的追求過程中都需要工程師對車身或機身周圍的氣流有更加深入的認識，對其背后所蘊含的流體力學原理進行研究。
奔馳W125時速達到431km/h
萊特兄弟試飛第一架飛機
另一種思路
我們知道對于同一個物體，由于選取的參照物不同，我們可以說它是運動的，也可以說它是靜止的，這就是所謂的“運動相似性”。例如：
是你在動？還是水在動？
是車輪在動？還是軌道在動？
早期的飛機設(shè)計師或者稱為滑翔機設(shè)計師也意識到，如果他們想要了解飛機周圍的氣流在機身表面上的流動情況，他們也有兩個途徑。
早期的滑翔機
一是將測試模型在空氣中移動起來，得到所需要的數(shù)據(jù)；二是可以引入一股氣流吹過固定在地面上模型。
由于早期引入一股速度較高較穩(wěn)定的氣流比較困難，第一種方式移動模型成為了工程師的第一選擇，其中旋轉(zhuǎn)臂是早期工程師嘗試較多的一種方法，旋轉(zhuǎn)臂也成為了風洞之前工程師們使用最多的一種試驗工具。
幾種典型的旋轉(zhuǎn)臂
1
英國數(shù)學家本杰明·羅賓斯
 
他在1746年設(shè)計了一個旋轉(zhuǎn)臂，羅賓斯將不同形狀的物體安裝在手臂的尖端，并以不同的速度旋轉(zhuǎn)它們。
他發(fā)現(xiàn)物體的形狀似乎影響了空氣阻力的大小，即使物體具有相等的投影面積時。這是一個非常重大的發(fā)現(xiàn)。他意識到，牛頓的力學理論沒有充分描述這種氣流拖曳產(chǎn)生的力，在物體的形狀、空氣速度與力之間存在著較為復雜的關(guān)系。
羅賓斯設(shè)計的旋轉(zhuǎn)臂
2
奧托·李林塔爾
他在1866年和1889年之間，建造了幾個旋轉(zhuǎn)臂，直徑從2米到7米，他使用這些旋轉(zhuǎn)臂對平面翼型和弧面翼型進行了大量的試驗。在這些試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，Otto Lilienthal改進了他滑翔機的設(shè)計，他是第一位可重復滑翔飛行的人。
Otto Lilienthal設(shè)計的旋轉(zhuǎn)臂
3
Hiram Maxim
他設(shè)計了一個巨大的旋轉(zhuǎn)臂來測試不同的機翼翼型和長度等，值得一提的是他設(shè)計的旋轉(zhuǎn)臂安裝了精密儀器，可以對模型的升力，阻力和模型相對于空氣的速度進行精確測量，這可以稱為是風洞試驗技術(shù)的鼻祖了。
Hiram Maxim設(shè)計的旋轉(zhuǎn)臂
4
Samuel Langley
英國數(shù)學家Samuel Langley也設(shè)計過一個直徑18米的旋轉(zhuǎn)臂，其安裝的10馬力發(fā)動機可以將模型加速到161km/h的速度。但由于旋轉(zhuǎn)臂高速旋轉(zhuǎn)中的振蕩，導致其獲得的大部分試驗數(shù)據(jù)都是不可用的。
 
AAC視點
空氣動力學是一門試驗性的科學，在這個學科漫長的發(fā)展過程中，科研人員通過各種試驗設(shè)備對流動現(xiàn)象進行分析，這些試驗成果對今天較為完整的空氣動力學體系是非常重要的。  
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