数学建模淋雨模型Word下载.docx

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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。

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

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vm=5m/s，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）、问题中涉与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建立与求解：

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×

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（cm³

）=2.44446（L）

（二）、模型Ⅱ建立与求解：

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：

顶部淋雨量和前部淋雨量.（如图1）

设雨从迎面吹来时与人体夹角为

.，且0°

<

90°

，建立a，b，c，d，u，

，

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

且方向与v相反，故人相对于雨的水平速度为：

则前部单位时间单位面积淋雨量为：

又因为前部的淋雨面积为：

，时间为：

d/v

于是前部淋雨量V2为：

即：

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

，顶部面积为

，淋雨时间为

，于是顶部淋雨量为：

②

由①②可算得总淋雨量:

代入数据求得：

由V（v）函数可知：

总淋雨量（V）与人跑步的速度（v）以与雨线与人的夹角（

）两者有关。

对函数V（v）求导，得：

显然：

0，所以V为v的减函数，V随v增大而减小。

因此，速度v=vm=5m/s，总淋雨量最小。

（Ⅰ）当θ=0，代入数据，解得：

V＝0.0011527778（m³

）≈1.153（L）

（Ⅱ）当θ=30°

，代入数据，解得：

V＝0.0014025（m³

）≈1.403（L）

（三）、模型Ⅲ建立与求解：

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：

顶部淋雨量和后部淋雨量.（如图2）

设雨从背部吹来时与人体夹角为

，且0°

＜

﹤90°

建立a，b，c，d，u，

（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V1，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：

（2）、后部淋雨量：

人相对于雨的水平速度为：

从而可得，人背部单位时间单位面积淋雨量为：

可得人背部淋雨量为：

而总淋雨量：

V=V1＋V3

从而有：

③

化简③式得：

④

代入相关数据化简得：

⑤

当

时。

由V（v）函数可知：

（Ⅰ）、当

时，且0°

，可得：

ccosα＋asinα>

对⑤式求导，易知

0；

所以，总淋雨量（V）随着速度（v）的增加而减少，

因此，

总淋雨量最小。

（Ⅱ）、当v>

usinα时，且0°

＜α﹤90°

，对⑤式求导，

解得：

（ⅰ）、当1.5sinα－0.2cosα<

0时，即：

tanα<

2/15,即V`<

从而推出，总淋雨量（V）随着速度（v）的增加而减少，所以，速度v=vm，总淋雨量最小。

（ⅱ）、当1.5sinα－0.2cosα>

tanα>

2/15,即V`>

从而推出，

总淋雨量（V）随着速度（v）的增加而增加，所以，当速度（v）取最小，

即v=usinα总淋雨量最小。

当α＝30°

，tanα>

2/15，由模型⑶分析的，当v=usinα=4×

1/2=2（m/s）

总淋雨量最小，且V=0.0002405（m³

）=0.2405（L）

五、结果分析：

（1）在该模型中考虑到雨的方向问题，这个模型跟模型二相似，将模型二与模型三综合起来跟实际的生活就差不多很相似了。

由这三个模型可以得出在一定的速度下人跑的越快淋雨量就越少。

（2）若雨迎面吹来时，跑得越快越好

（3）若雨从背面吹来时，分为两种情况：

当tanα>

c/a时，跑步速度v=usinα时V最小；

当tanα<

c/a时，跑得越快越好。

但是该模型只是考虑雨线方向与人的跑步方向在同一平面内，若是雨线方向与人的跑步方向不在同一平面内建立坐标系上，对于这种情况，我们认为在本质和考虑问题的思想上来说模型是不变的，应分别对几个淋雨面进行以上同样方法建立求解模型，但是解算的过程，我想应该更复杂。

参考文献：

[1]姜启源,数学模型（第三版）[M]，高等教育出版社，2003.08

[2]薛梦香，优秀的雨中淋雨模型[J],2012.03.20

a=1/2;

b=sqrt（3）/2;

v1=[1:

0.001:

2];

v2=[2:

8];

V1=（（0.2.*b+1.5.*a）./v1-0.375）./360;

V2=（（0.2*b-1.5*a）./v2+0.375）/360;

plot（v1,V1）

holdon

plot（v2,V2）