数学建模_淋雨模型

专业及班级土木10班

学号20136452

姓名杨昌友

淋雨量模型

一摘要:本文主要研究人在雨中行走的淋雨量问题。在给定的降雨条件下,分别建立相应的数学

模型,分析人体在雨中奔跑时淋雨多少与奔跑速度、降雨方向等因素的关系。得出结论:若雨迎面落下,则以最大的速度跑完全程淋雨量最少;若雨从背后落下,则以降雨速度的水平分量时奔跑时淋雨量最少。

关键词:淋雨量雨速大小雨速方向跑步速度路程远近

二、问题概述

要在雨中从一处沿直线跑到另一处,若雨速为常数且方向不变,试建立数学模型讨论就是否跑得越快,淋雨量越少。

将人体简化成一个长方体,高a=1、5m(颈部以下),宽b=0、5m,厚c=0、2m,设跑步的距离d=1000m,跑步的最大速度v m=5m/s,雨速u=4m/s,降雨量ω=2cm/h,及跑步速度为v,按以下步骤进行讨论[17]:

(1)、不考虑雨的方向,设降雨淋遍全身,以最大速度跑步,估计跑完全程的总淋雨量;

(2)、雨从迎面吹来,雨线与跑步方向在同一平面内,且与人体的夹角为θ,如图1、建立总淋雨量与速度v及参数a,b,c,d,u,ω,θ之间的关系,问速度v多大,总淋雨里最少。计算θ=0,θ=30°的总淋雨量、

(3)、雨从背面吹来,雨线方向跑步方向在同一平面内,且与人体的夹角为α,

如图2、建立总淋雨量与速度v及参数a,b,c,d,u,ω,α之间的关系,问速度v多大,总淋雨量最小。计算α=30°的总淋雨量、(说明:题目中所涉及的图形为网上提供)

（4）、以总淋雨量为纵轴,速度v为横轴,对(3)作图(考虑α的影响),并解释结果的实际意义、（5）、若雨线方向跑步方向不在同一平面内,模型会有什么变化？

三、问题分析

淋雨量就是指人在雨中行走时全身所接收到得雨的体积,可表示为单位时间单位面积上淋雨的多少与接收雨的面积与淋雨时间的乘积。

可得:

淋雨量(V)=降雨量(ω)×人体淋雨面积(S)×淋浴时间(t) ①

时间(t)=跑步距离(d)÷人跑步速度(v) ②由①②得: 淋雨量(V)=ω×S×d/v

四模型假设

(1)、将人体简化成一个长方体,高a=1、5m(颈部以下),宽b=0、5m,厚c=0、2m、设跑步距离d=1000m,跑步最大速度v m=5m/s,雨速u=4m/s,降雨量ω=2cm/h,记跑步速度为v;

(2)、假设降雨量到一定时间时,应为定值;

(3)、此人在雨中跑步应为直线跑步;

(4)、问题中涉及的降雨量应指天空降落到地面的雨,而不就是人工,或者流失的水量,因为它可以直观的表示降雨量的多少;

五、符号

淋雨量V

降雨量ω

人体淋雨面积S

淋浴时间t

跑步距离 d

跑步速度v

人高 a

人宽 b

人厚 c

六、模型求解:

(一)、模型Ⅰ建立及求解:

设不考虑雨的方向,降雨淋遍全身,则淋雨面积:

S＝2ab+2ac+bc

雨中奔跑所用时间为:

t=d/v

总降雨量

V ＝ω×S ×d/v

ω＝2cm/h=2×10-2/3600 (m/s)

将相关数据代入模型中,可解得:

S ＝2、2(㎡)

V ＝0、00244446 (cm ³)=2、44446 (L)

（二）、模型Ⅱ建立及求解:

若雨从迎面吹来,雨线与跑步方向在同一平面内,且与人体的夹角为θ、,则淋雨量只有两部分:顶部淋雨量与前部淋雨量、 (如图1)

设雨从迎面吹来时与人体夹角为θ、 ,且 0°<θ<90°,建立a,b,c,d,u,ω,θ之间的关系为:

(1)、考虑前部淋雨量:(由图可知)雨速的水平分量为θsin u ⋅且方向与v 相反,故人相对于雨的水平速度为:

()v sin u +⋅θ

则前部单位时间单位面积淋雨量为:

u /v sin u ）（+⋅⋅θω

又因为前部的淋雨面积为:b a ⋅,时间为: d/v

于就是前部淋雨量V 2为 :

()()[]()v /d u /v sin u V 2⋅+⋅⋅⋅⋅=θωb a

即:

()()v u /v sin u a V 2⋅+⋅⋅⋅⋅=θωd b ①

(2)、考虑顶部淋雨量:(由图可知)雨速在垂直方向只有向下的分量, 且与v 无关,所以顶部单位时间单位面积淋雨量为()θωcos ⋅,顶部面积为()c b ⋅ ,淋雨时间为

()v /d ,于就是顶部淋雨量为:

v /cos b V 1θω⋅⋅⋅⋅=d c ②

由①②可算得总淋雨量 :

()()v u /v sin u a v /cos c b V V V 21⋅+⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅=+=θωθωd b d

代入数据求得:

v 1800v 875.1sin 5.7cos V ⋅++=θθ 由V(v)函数可知:总淋雨量(V)与人跑步的速度(v)以及雨线与人的夹角(θ)两者有关。

对函数V(v)求导,得:

()2v 1800sin 5.7cos V ⋅⋅+-='θ

θ

显然:V '<0, 所以V 为v 的减函数,V 随v 增大而减小。

因此,速度v=v m =5m/s ,总淋雨量最小。

(Ⅰ)当θ=0,代入数据,解得:

V ＝0、0011527778(m ³)≈1、153(L)

(Ⅱ)当θ=30°,代入数据,解得:

V ＝0、0014025(m ³)≈1、403(L)

(三)、模型Ⅲ建立及求解:

若雨从背面吹来,雨线方向与跑步方向在同一平面内,且与人体的夹角为α则淋雨量只有两部分:顶部淋雨量与后部淋雨量、(如图2)

设雨从背部吹来时与人体夹角为α, 且0°＜α﹤90°,建立a,b,c,d,u,α,ω之间的关系为:

(1)、先考虑顶部淋雨量:当雨从背面吹来,而对于人顶部的淋雨量 V 1 ,它与模型①中一样,雨速在垂直方向只有向下的分量,同理可得:

()/v cos d c b v /cos b V 1αωαω⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=d c