数学建模雨中行走

摘要夏天日益临近，天气情况也逐渐变幻莫测。我们常常遇到过这样的问题，我们走在大街上，突然下起大雨，目的地离我们不远，所以我们并不准备避雨。这是我们就遇到一个问题，是按照正常速度前行，还是大步奔跑地前进，以减少身上的淋雨量。按照常理，我们大多数人都会奔跑前行。但是，这样果真能够减少被淋湿的程度吗？1.问题重述一个雨天，你有件急事需要从家中要从家中到学校去，学校离家不远，仅一公里，况且事情紧急，你来不及花时间去翻找雨具，决定碰一下运气，顶着雨去学校。假设刚刚出发雨就大了，但你不打算再回去了，一路上，你将被大雨淋湿。一个似乎很简单事情是你应该在雨中尽可能地快走，以减少淋雨时间。但如果考虑将与方向的变化，在全部距离上尽力地快跑不一定是最好的策略。试建立数学模型来探讨如何在雨中行走才能减少淋雨的程度。2.建模准备建模目标：在给定的降雨条件下，设计一个雨中行走的策略，使得你被雨水淋湿的程度最少。主要因素：淋雨量，降雨的大小，降雨的方向（风），路程的远近，行走的速度。3.模型假设即符号说明（1）把人体视为长方体，身高h米，宽度w米，厚度d米。淋浴总量用C升来记。（2）降雨大小用降雨强度I（cm/h）来描述，降雨强度指单位时间平面上的降下水的厚度。在这里可视为一常量。（3）风速保持不变。（4）你一定速度v(m/s)跑完全程D米。4.模型建立与计算（1）不考虑雨的方向，此时你的前后左右和上下都将被淋雨。淋雨面积：S=2wh+2dh+wd（米2）雨中行走的时间：t=（秒）降雨强度：I（厘米/时）=0.01I（米/时）=（米/秒）淋雨量：C=（米3）=（升）（模型中D，I，S为参数，而v为变量）结论：淋雨量与速度成反比。这也验证了尽可能快跑能减少淋雨量。若取参数D=1000m,I=2cm/h,h=1.5m,w=0.5m,d=0.2m时，则有S=2.2m2.若你在雨中行走的最大速度v=6m/s,则计算得你在雨中行走了167秒，即2分47秒。从而可以计算被淋的雨水总量S=2.041升。经仔细分析，可知你在雨中只跑了2分47秒，但被淋了2升的雨水，大约有4酒瓶的水量。这是不可思议的。表明：用此模型描述雨中行走的淋雨量不符合实际。原因是不考虑降雨的方向的假设，是问题过于简单化。（2）考虑降雨方向，若记雨滴下速度为r（米/秒），雨滴的密度为，l表示在一定时刻在单位体积的空间内，由雨滴所占的空间的比例数，也称为降雨强度系数。dw雨滴下落的反方向H,hv人前进的方向所以，I=r因为考虑了降雨的方向，淋湿的部位只有顶部和前面。分两部分计算淋雨量。顶部的淋雨量C1=D/v表示在雨中行走的时间，wd表示顶部面积,rsin表示雨滴垂直下落的速度。前表面淋雨量C2=总淋雨量（基本模型）C=C1+C2=(drsin+h(rcos+v))取参数r=4m/s,I=36002cm/s,=1.3910-6，计算得C=(0.8sin+6cos+1.5v)可以看出：淋雨量与降雨的方向和行走的速度有关。这样问题转化为给定，如何选择v，使得C最小。情形1=90度C=6.9510-4(0.8/v+1.5)结果表明：淋雨量是速度的减函数，当速度尽可能大时林雨量达到最小。假设你以6m/s的速度在雨中猛跑，则计算得C=11.310-4m3=1.13升情形2=60度C=6.9510-4(1.5+(4+3)/v)结果表明：淋雨量是速度的减函数，当速度尽可能大时淋雨量达到最小。假设你以6m/s的速度在雨中猛跑，则计算得C=1.47升情形390180度时此时，雨滴将从后面向你身上落下。C=6.9510-4((0.8sin+6cos)/v+1.5)令=+30度，则090，计算得C=6.9510-4(0.8cos-6sin)/v+1.5)当从0到90度时，C可能取负值，这是不可能的。出现这个矛盾的原因是我们给出的基本模型是针对雨从你的前面落到身上的情形。因此这种情况要另行讨论。当行走速度慢于雨滴的水平运动速度，即rrsin,这时，雨滴将淋到背上，而淋在背上的雨水量是淋雨总量为C=当v=sin时，C取到最小值。C=再次带入数据，得C=6.9510-4(0.8cos)/(4sin)结果表明：当行走的速度等于雨滴下落的水平速度时，淋雨量最小，仅仅被头顶上的雨水淋湿了。若雨滴是以120的角度落下，即雨滴以=30度的角从背后落下，你应该以v=4sin30=2m/s的速度行走，此时淋雨量为C=6.9510-4（0.8/2)/2m3=0.24升这就意味着你刚好跟着雨滴前进，前后都没有淋雨。当行走速度快于雨滴的水平速度，即vrsin，你不断地追赶雨滴，雨水将淋湿你的前胸。被淋得雨量是淋浴总量为C==Dw(dcos-rsin)/v+h/r)当dcos-rsin0,v尽可能大，C才可能小。当dcos-rsin0,v尽可能小，C才可能小。而当vrsin,所以v要趋于rsin，C才可能最小。5.结论若雨是迎着你前进的方向向你落下，这时的策略很简单，应该以最大的速度向前跑；若雨是从你的背后落下，你应该控制你在雨中行走的速度，让它刚好等于落雨速度的水平分量。注：里面的公式不能编辑，是图片，若想要可改动的公式，请联系[e-mail]，我有2007的docx