数学建模 淋雨模型

玛丽莲梦兔
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2021年02月10日 11:40
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-

2021年2月10日发(作者:个性文字)






























































淋雨量模型



一、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


,

< br>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

< br>之间的关系,


问速度


v


多大,总 淋雨里最少。计算


θ


=0


,

< p>
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

< br>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< /p>


实际意义


.


(


5


)、若


雨线方向跑步方向不在同一平面内,试建立模型






二、



问题分析














淋雨量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和淋雨时间的乘积。

< br>


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(

< p>
v


)












②








由①②



得:





淋雨量(


V


)


=


ω


×< /p>


S


×


d/v




三、



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

< br>,雨速


u=4m/s


,降雨量


ω


=2cm/h


,记


跑步速度为


v


;


(参考)








(


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;


























四、



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


/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)




-2


(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


.< /p>


,则淋


雨量只有两部分:顶部淋雨量和前部淋雨量


.


(如图


1


)













设雨从迎面吹来时与人体夹角为< /p>



.



,且



0


°< /p>


<



<90


°,


建立


a


,


b< /p>


,


c


,


d


,


u


,


< p>
,



之间的关系为:


< /p>


(


1


)


、


考虑前部淋雨量:


(由图可知)


雨速的水平分 量为


u



sin



且方向与


v


相反,


故人相对于雨的水平速度为:



u



sin



v




则前部单位时间单位面积淋雨量为:




(



u


< /p>


sin




v< /p>


)


/


u





又因为前部的淋雨 面积为:


a



b


,时间为:



d/v




于是前部淋雨量


V

< br>2


为



:



V


2




a



b








u

< br>


sin



< br>v



/


u





d


/


v





即:
































V


2



a



b



d





u


< br>s


i


n




v



/



u



v






















①




(


2


)


、考虑顶部淋雨量:

< br>(由图可知)雨速在垂直方向只有向下的分量,



且与< /p>


v


无关,所以顶部单位时间单位面积淋雨量为




cos



,顶部面积为



b



c


< br>


,淋雨时间


为



d


/


v


< br>


,


于是顶部淋雨量为:




V


1



b


< br>c





d



cos



/


v



②






由①②可算得总淋雨量



:









V



V


1



V


2



b



c


< br>



d



cos



/


v



a



b



d






u



sin




v



/



u



v






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