2. 雨中行走模型
问题描述:针对各种条件情境下,考虑怎样能使淋雨量最小?
1. 影响因素
影响淋雨量多少的因素有很多,比如:降雨的大小,是否有风(降雨的方向),路程远近,速度。
这里,我们采用控制变量法,确定人为能控制的因素-行走的速度为控制变量。
给出在其他自变量不同时使因变量淋雨量最小的方法。
2. 模型假设
(1) 人体看做长方体的形状
(2) 人行走过程中,雨滴下落的速度、方向保持不变
(3) 人做匀速直线运动
(4) 路程一定,很明显,其他条件一定时,路程与淋雨量成正比
(5) 参数如下:
符号 | 含义 |
---|---|
r | 雨滴下落速度(m/s) |
I | 降水强度(cm/h) |
p | p = I/r,降雨强度系数 |
θ\thetaθ | 雨滴下落直线和地平面的夹角 |
v⃗\vec{v}v | 人行走的速度 |
β\betaβ | v⃗\vec{v}v与雨滴降落反方向夹角 |
h、w、d | 身高、身宽、厚度(m) |
R(v) | 淋雨量 |
3. 模型建立
(1)计算淋雨量:
首先建立直角坐标系,以 v⃗\vec{v}v 的方向为x轴正方面,左侧为y轴正向,垂直方向想为z轴正向。
(指的注意的是,这里的坐标系是一个移动的坐标系,但是由于假设人匀速行走,即为惯性坐标系。
{rx=rcosθcosβry=rcosθsinβrz=rsinθ0°≤θ≤90°,0°≤β≤360°人正面、侧面、顶部的面积为wh,dh,wd,淋雨时间为Dv{正面:Dvpwh∣v+rcosθcosβ侧面:Dvpdhrcosθ∣sinβ∣顶部:Dvpwdrsinθ则行走人的总淋雨量为:R(v)=Dvp[wh∣v+rcosθcosβ∣+dhrcosθ∣sinβ∣+wdrsinθ]
\begin{cases} r_x=rcos\theta cos\beta\\ r_y = rcos\theta sin\beta \\r_z = rsin\theta \end{cases}
\quad 0°\leq\theta\leq90°,0°\leq\beta\leq360°
\\
人正面、侧面、顶部的面积为wh,dh,wd,淋雨时间为\frac{D}{v}
\\\begin{cases} 正面:\frac{D}{v}pwh|v+rcos\theta cos\beta
\\侧面:\frac{D}{v}pdhrcos\theta |sin\beta|\\顶部:\frac{D}{v}pwdrsin\theta\end{cases}
\\则行走人的总淋雨量为:R(v) = \frac{D}{v}p[wh|v+rcos\theta cos\beta|+dhrcos\theta |sin\beta|+wdrsin\theta]
⎩⎪⎨⎪⎧rx=rcosθcosβry=rcosθsinβrz=rsinθ0°≤θ≤90°,0°≤β≤360°人正面、侧面、顶部的面积为wh,dh,wd,淋雨时间为vD⎩⎪⎨⎪⎧正面:vDpwh∣v+rcosθcosβ侧面:vDpdhrcosθ∣sinβ∣顶部:vDpwdrsinθ则行走人的总淋雨量为:R(v)=vDp[wh∣v+rcosθcosβ∣+dhrcosθ∣sinβ∣+wdrsinθ]
(2)各情况讨论:
-
rx>0(0°≤β<90°∣∣270°≤β≤360°)r_x>0(0°\leq\beta<90° || 270°\leq\beta\leq360°)rx>0(0°≤β<90°∣∣270°≤β≤360°)
此时,雨滴从人的正面落下
R(v)=Dvp[wh(v+rcosθcosβ)+dhrcosθ∣sinβ∣+wdrsinθ]calculateR1(v)<0,v>0R(v)↓,→不存在最小值 R(v)= \frac{D}{v}p[wh(v+rcos\theta cos\beta)+dhrcos\theta |sin\beta|+wdrsin\theta] \\calculate\quad R^{1}(v)<0,v>0 \\ R(v)\downarrow,\rightarrow 不存在最小值 R(v)=vDp[wh(v+rcosθcosβ)+dhrcosθ∣sinβ∣+wdrsinθ]calculateR1(v)<0,v>0R(v)↓,→不存在最小值 -
rx=0(β=90°∣∣270°)r_x =0(\beta=90°||270°)rx=0(β=90°∣∣270°)
R(v)=Dvp[whv+dhrcosθ+wdrsinθ]calculateR1(v)<0,v>0R(v)↓,→不存在最小值 R(v)= \frac{D}{v}p[whv+dhrcos\theta +wdrsin\theta] \\calculate\quad R^{1}(v)<0,v>0 \\ R(v)\downarrow,\rightarrow 不存在最小值 R(v)=vDp[whv+dhrcosθ+wdrsinθ]calculateR1(v)<0,v>0R(v)↓,→不存在最小值 -
rx<0(90°<β<270°)r_x<0(90°<\beta<270° )rx<0(90°<β<270°)
a=dhrcosθ∣sinβ∣+wdrsinθ;为一个常数R(v)={Dp(a−whrcosθcosβ)v−Dpwh,0<v<−rcosθcosβDp(a+whrcosθcosβ)v+Dpwh,v≥−rcosθcosβ a = dhrcos\theta |sin\beta|+wdrsin\theta;为一个常数\\ R(v)=\begin{cases} \frac{Dp(a-whrcos\theta cos\beta)}{v}-Dpwh,0<v<-rcos\theta cos\beta \\\frac{Dp(a+whrcos\theta cos\beta)}{v}+Dpwh,v\geq -rcos\theta cos\beta \end{cases} a=dhrcosθ∣sinβ∣+wdrsinθ;为一个常数R(v)={vDp(a−whrcosθcosβ)−Dpwh,0<v<−rcosθcosβvDp(a+whrcosθcosβ)+Dpwh,v≥−rcosθcosβ
此时可再分三种情况进行讨论,得到了两种最小值:(省去了冗杂的计算过程)
Rmin(v)={不存在,R1<0,a+whrcosθcosβ>0−Dpd(hcosθ∣sinβ∣+wsinθ)cosθcosβ,a+whrcosθcosβ≤0第一种情况最小值不存在,因此速度越大越好第二种情况最小值在v=−rcosθcosβ取到
R_{min}(v)=
\begin{cases}
不存在,R^{1}<0,a+whrcos\theta cos\beta>0\\
-\frac{Dpd(hcos\theta|sin\beta|+wsin\theta)}{cos\theta\cos\beta},a+whrcos\theta cos\beta\leq0
\end{cases}
\\第一种情况最小值不存在,因此速度越大越好
\\第二种情况最小值在v = -rcos\theta cos\beta取到
Rmin(v)={不存在,R1<0,a+whrcosθcosβ>0−cosθcosβDpd(hcosθ∣sinβ∣+wsinθ),a+whrcosθcosβ≤0第一种情况最小值不存在,因此速度越大越好第二种情况最小值在v=−rcosθcosβ取到
4. 模型分析
上面的结论告诉我们,在题设的情况下:1. 如果与落在人的前面和侧面,此时人的速度越大,淋雨量越小。 2. 如果雨滴落在人行走的后面时,如果a+whrcosθcosβ>0a+whrcos\theta cos\beta>0a+whrcosθcosβ>0,此时也是人速度越大淋雨量越小,如果a+whrcosθcosβ≤0a+whrcos\theta cos\beta\leq0a+whrcosθcosβ≤0时,速度取−rcosθsinβ-rcos\theta sin\beta−rcosθsinβ,会使得淋雨量最小