雨滴降落雨伞设计力学分析

长治学院

2014届学士学位毕业论文

雨滴降落与雨伞设计的力学分析

学号：********

*名：***

指导教师：**

专业：物理学

系别：电子信息与物理系

完成时间：2014年5月

学生诚信承诺书

本人郑重声明：所呈交的论文《雨滴降落与雨伞设计的力学分析》是我个人在导师闫红指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得长治学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。所有合作者对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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签名：日期：

目录

1引言..........................................................................................................................................................错误!未定义书签。

2雨滴下落探究..........................................................................................................................................错误!未定义书签。

2.1雨滴下落的影响因素 (1)

2.1.1粘性阻力 (2)

2.1.2压差阻力 (2)

2.2雨滴下落过程分析 (2)

2.2.1粘性阻力下的运动过程 (3)

2.2.2压差阻力下的运动过程 (4)

2.2.3结论 (5)

3雨伞设计 (5)

3.1分析伞柄设计 (5)

3.1.1选料 (6)

3.1.2长度 (6)

3.2分析伞把设计 (6)

3.3分析伞骨设计 (7)

3.3.1选材 (7)

3.3.2优点 (9)

3.4分析伞面设计 (11)

4实际应用 (13)

4.1公交亭设计理由 (13)

4.2公交亭设计 (13)

4.2.1支柱设计 (14)

4.2.2 支架设计 (15)

4.2.3亭面设计 (16)

5总结 (17)

参考文献 (18)

致谢 (19)

雨滴降落与雨伞设计的力学分析

专业: 物理学姓名: 张晓龙学号: 10405136

指导教师：闫红

摘要：雨伞的设计受雨滴下落和风的影响，雨滴下落的运动是常见的运动形式，其形式比较复杂，若条件不同，运动情况就不同。它的研究在日常生活及物理教学中具有普遍的意义。雨滴下落的运动属于一种力学现象，力学是我们学习的一门重要的基础课程，运动学和动力学又是力学中的基本内容。因此本文将主要从这两方面对雨滴下落的运动进行研究，然后分析雨伞的设计，主要分析伞柄设计、伞骨设计和伞面设计。最后通过理论联系实际，结合实际生活将雨伞的结构应用在公交车亭设计中。

本文首先简单分析了雨滴下落的运动过程及所受力的分析，主要研究了雨滴下落到地面时候的速度和给地面的力；其次分析雨伞的材料选择、结构优势和合理性；最后通过理论结合实际，把雨伞结构应用在公交车亭，优化公交亭的设计。雨滴下落与雨伞设计的研究有助于我们更好的掌握力学理论，也有利于学以致用。

关键词：雨滴下落；收尾速度；应力；材料；力学；公交亭

1引言

雨伞自古以来都是人类生活中必不可少的工具，经过千百年的锤炼，现在雨伞的

功能更加全面，结构更加合理。随着社会经济的快速发展，工业原料浪费问题日益严

重，造成原料的日益匮乏，因此杜绝浪费，节约原料势在必行。首先；通过对雨伞结

构进行力学分析，合理的选择材料的类型、形状、尺寸等，从而使得物尽其用，节约

用料。其次；通过联系实际生活，将雨伞比较合理的结构应用在生活中不太合理的事

物中。优化该事物结构的同时节省了材料。

伞主要是用来遮风、挡雨的。风雨是影响伞的两大要素，因此在对雨伞进行设计

以前必须先对雨滴下落过程进行研究。

2 雨滴下落过程分析

2.1雨滴下落的影响因素

下雨是常见的自然现象，如果雨滴下落为自由落体运动，则雨滴落到地而时，速

度可达到数百米每秒，对地表动植物危害十分巨大。但实际上动植物都没有被雨滴砸

伤，因为雨滴下落时不仅受重力，还受空气的浮力和阻力，三者共同作用于雨滴，才

使得无论是小雨浙沥还是大雨傍沱，雨滴都不会因速度太大而将人畜击伤。

如果将雨滴看作质点，不考虑空气浮力和阻力，雨滴作自由落体运动,由质点运

动学的相关公式；

gt =V （1） 2gt 2

1h = （2） 可知，雨滴从2000m 高的云层下落到地而时的速度约为200m/s ，大约是赛车的两倍。根据动量定理粗略计算，一个直径为10 mm 的如此速度的雨滴撞击在物体表而产生的

作用力超过1000N 。这样的雨滴砸在人身上，后果不堪设想。但实际上雨滴在空气中

下落时，它所受到的空气阻力将随它下落速度的增加而增加，因此雨滴下落时的加速

度不像自由落体那样恒定不变，其下落速度也不会像自由落体那样增加。我们把雨滴

看作质量不变的球体进行研究，没有考虑雨滴半径增加对其下落速度的影响，得出雨

滴下落最后将达到一个恒定不变的最大速度，叫做收尾速度。然而，雨滴在下落过程