数学建模淋雨模型

数学建模淋雨模型 1 / 4

淋雨量模型

一、问题归纳

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， 试建立数学模型议论可否跑得越快，淋雨量越少。 将人体简化成一个长方体，高 （颈部以下） ，宽 b=0.5m ，厚 c=0.2m ，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，按以下步骤进行议论 [17] ：

（ 1）、不考虑雨的方向，设降雨淋遍全身，以最大速度跑步，估计跑圆满程的总淋雨

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之间的关系，问速度 v多大，总淋雨里

最少。计算θ =0，θ =30°的总淋雨量 .

（ 3）、雨从反面吹来，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供应）

（ 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） ，并讲解结果的本质意义 .

（ 5）、若 雨线方向跑步方向不在同一平面内，试建立模型 二、 问题剖析

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 四、

（ 1）、将人体简化成一个长方体，高（颈部以下），宽，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；（参照）

（ 2）、假设降雨量到一准时间时，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，也许流失的水量，因为它可以直观的表示降雨量的多少； 五、 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=2×10-2 /3600 (m/s)

将相关数据代入模型中，可解得： 数学建模淋雨模型

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S ＝2.2 （㎡）

＝

0.00244446 (cm3)=2.44446 (L) V

（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 .，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）雨速的水平重量为 u sin 且方向与 v 相反，故人有对于

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： a b ，时间为： d/v

于是前部淋雨量 V 2 为 ：

即：

V 2 a b d u sin v / u v 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重量， 且与 v 没关，因此顶

部单位时间单位面积淋雨量为 cos ，顶部面积为 b c ，淋雨时间为 d / v ，于是顶部淋雨

量为：

V 1 b c d cos / v 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）以及雨线与人的夹角（ ）两者有

关。

对函数 V （v）求导，得：

显然 ： V <0， 因此 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 3）≈ （L ）

（Ⅱ）当θ =30°，代入数据，解得：

V ＝0.0014025(m3)≈（L ）

（三）、模型Ⅲ建立及求解：

若雨从反面吹来， 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， ， 之间的

关系为：

（1）、先考虑顶部淋雨量： 当雨从反面吹来， 而对于人顶部的淋雨量 V 1 ，它与模型①中同样，

雨速在垂直方向只有向下的重量，同理可得：

u sin v ， v u sin （2）、后部淋雨量：人有对于雨的水平速度为：

u sin ， v u sin v 数学建模淋雨模型 3 / 4

u sin v / u ， v u sin 从而可得，人背部单位时间单位面积淋雨量为：

u sin / u ， v u sin v

可得人背部淋雨量为： V 3 a b d u sin v / u ，v u sin

V 3 a b d v u sin / u ，v u sin

而总淋雨量： V=V 1＋ V 3

从而有： V b c d cos / v a b d (u sin v ) / u ， v u sin

V b c d cos / v a b d ( v u sin ) / u ， v u sin

化简③式得： V b d c cos a sin / v a / u ， v u sin

V b d c cos a sin / v a / u ， v u sin

V / v ， v u sin 代入相关数据化简得： 0.375 / 360

V / v ，

v u sin

0.375 / 360

当 30 时。

③

④

⑤

由 V （v)函数可知：总淋雨量（ V ）与人跑步的速度（ v）以及雨线与人的夹角（ ）两者有

关。

（Ⅰ）、 当 v u sin 时，且 0°＜ ﹤ 90°，可得： c cosα＋ a sinα>0

对⑤式求导，易知 V <0；因此，总淋雨量（ V ）随着速度（ v）的增加而减少，因此， v u sin 总淋雨量最小。

（Ⅱ）、当 v >u sinα时，且 0°＜α﹤ 90°，对⑤式求导，

解得 ： V 2 （180 v）

( ⅰ ) 、当α－ 0.2 cosα<0 时，即 ：tanα<2/15, 即 V`<0 ；从而推出，总淋雨量（ V ）随着速度（ v）的增加而减少，因此，速度 v=vm ，总淋雨量最小。

（ⅱ）、当α－ 0.2 cosα>0 时，即 ： tanα >2/15, 即 V`>0 ；从而推出，总淋雨量（ V ）随着速度（ v）的增加而增加，因此，当速度（ v）取最小，即 v=u

sinα 总淋雨量最小。

当α＝ 30°， tanα >2/15 ，由模型⑶剖析的，当 v=u sinα=4× 1/2=2（m/s）

总淋雨量最小，且 （ m3） =0.2405(L)

五、 结果剖析：

（ 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本质的生活就差不多很相似了 。 由这三个模型可以得出在必然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）若雨从反面吹来时，分为两种情况：

当 tan α>c/a 时，跑步速度 v=u sinα时 V 最小；

当 tan α

可是该模型可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， 可是解算的过程，我想应该更复杂。

参照文件： [1] 姜启源 , 数学模型 ( 第三版 )[M] ， 高等教育初版社， [2] 数学建模淋雨模型

4 / 4 a=1/2;b=sqrt(3)/2;

v1=[1:0.001:2];

v2=[2:0.001:8];

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)

hold on

plot(v2,V2)