雨中行走问题

本文探讨了在不同降雨条件下,如何通过调整行走速度来最小化淋雨量。模型假设人体为长方体,考虑了降雨方向、速度及人体尺寸等因素,通过数学公式计算不同情况下的淋雨量,并分析了速度对淋雨量的影响。

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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)
pp = 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\betaβv⃗\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°θ90°,0°β360°wh,dh,wdvDvDpwhv+rcosθcosβvDpdhrcosθsinβvDpwdrsinθR(v)=vDp[whv+rcosθcosβ+dhrcosθsinβ+wdrsinθ]
​ (2)各情况讨论:

  1. 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°β360°)

    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)+dhrcosθsinβ+wdrsinθ]calculateR1(v)<0,v>0R(v)

  2. 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)

  3. 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=dhrcosθsinβ+wdrsinθ;R(v)={vDp(awhrcosθcosβ)Dpwh,0<v<rcosθcosβvDp(a+whrcosθcosβ)+Dpwh,vrcosθcosβ

​ 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)cosθcos⁡β,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)={R1<0,a+whrcosθcosβ>0cosθcosβDpd(hcosθsinβ+wsinθ),a+whrcosθcosβ0v=rcosθcosβ

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+whrcosθcosβ0时,速度取−rcosθsinβ-rcos\theta sin\betarcosθsinβ,会使得淋雨量最小

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