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1 # 光量子宇宙
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2 # 火星一號
這個問題不但是一道物理競賽問題,還是一道經典的數學建模問題,可以透過建立數學模型來對此進行求解。
為了方便建模,這裡把人簡化成一個長方體。並假設人的奔跑速度為勻速的v,人的淋雨量為w,人在雨中的行進距離為d,行進時間為t(d/v)。雨水迎面的下落速度為勻速的u,雨水的平均密度為ρ,雨水與地面的夾角為θ。
由此可以計算出,雨水相對於頭頂的垂直速度分量為vy=usinθ,雨水相對於身體前方的水平速度分量為vx=ucosθ+v。頭頂的淋雨面積s1=ab,身體的淋雨面積s2=bh。因此,人的總淋雨量就是頭頂淋雨量和身體前方淋雨量之和。
頭頂的淋雨量為:
身體前方的淋雨量為:
總的淋雨量為:
顯然,∂w/∂v<0,這意味著隨著速度v的增加,淋雨量w在逐漸減小。並且如果人的身體與雨水平行,理論上只有頭部會受到淋雨。因此,在最為理想的情況下,對於沒有帶傘的人來說,在雨中奔跑的速度越快,並且身體的傾斜方向剛好跟雨水平行,那麼,這個人所淋到的雨水是最少的。
為了便於計算,模型做了很多簡化,最終得出的結論也是符合實際的。關於在雨中是應該行走還是快速奔跑,可以考慮兩種極端的情況。一種是在雨中以接近於零的速度運動,還有一種是在雨中以接近光速的速度運動。顯然,運動相同的距離,在雨中運動的時間越短,所淋到的雨水也會越少。
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3 # Mrplumer81
感謝各位大佬在本題下的分享,但現有的答案都或多或少有一些不足。比如,都沒有考慮雨的速度在分解到水平面後,不僅有和人運動方向同向或反向的分量,還會有和人運動方向垂直的分量,即雨打到人側面的量。
之前寫的答案是將人視作圓柱體,使得結論過於複雜。現提供將人視作大部分知友採用的長方體,結論得到了一定程度的簡化。
先給出我的結論:
在移動一定距離的情況下,人望向目的地靜止站立發現雨迎面打來時,跑的越快淋的越少。發現雨從背後打來時,根據風勢、雨的下落速度和人的體型不同,可能是跑的越快淋的越少,也有可能是跑的速度等於雨速在行進方向的分量時淋的最少。
以下計算的假設:人的目標是向某一方向移動一定的距離,且人沿著直線以恆定速度奔向目的地。人為一長方體,且人沒有斜著身子跑步。雨在空間中均勻分佈且在空間中以任意方向的速度做勻速直線運動(當然,雨在z軸也就是豎直方向的速度,一定是向下的)。
計算思路:設人的正面面積為
,側面面積為
,頭頂面積為
。設目的地距出發點距離為d。設
分別是雨滴速度相應方向的三個分量。設
是人的速度。代入
的具體數值時,與下圖所示方向相同的為正,否則以負值帶入(高中物理常用技巧)。不失一般性地,假設其餘各數值均為正。
在雨滴參考系中計算,即可視雨滴為靜止不動。將雨滴的速度取反後疊加到人身上,即可視作人以此速度在靜止的雨中做勻速直線運動。而雨在空間中又是均勻分佈的,那麼人淋到的雨顯然與人在此座標系下人的三個面掃過的體積之和
(為了和速度的符號區分開,體積的V這裡用大寫)成正比。之後的計算如下:
以下是將人視作圓柱體的原版答案。
先說我的結論:
在移動一定距離的情況下,人望向目的地靜止站立發現雨迎面打來時,跑的越快淋的越少。發現雨從背後打來時,根據風勢和人的體型不同,跑的越快淋的有可能越少,也有可能是小於某一閾值之前越快越少,之後越快越多,且此閾值一定大於雨在人前進方向的速度分量。
下面是計算過程。
要想徹底解決這一問題,須經過嚴謹的代數計算。為了考察最終函式的單調性,求導也是必要的手段。
以下計算的假設:人的目標是向某一方向移動一定的距離,且人沿著直線以恆定速度奔向目的地。人為一圓柱體。雨在空間中均勻分佈且在空間中以任意方向的速度做勻速直線運動(當然,雨在z軸,也就是豎直方向的速度一定是向下的)。代入
的具體數值時,與下圖所示方向相同的為正,否則以負值帶入(高中物理常用技巧)。不失一般性地,假設其餘各數值均為正。
而最後這個函式
(為防止大家看不懂我的字,
為人頭頂的橫截面積,
為人身體的豎截面積,
分別是雨滴速度的三個分量,其中x方向是與人前進方向相同的方向,
是人的速度)
我曾試著求導,但導函式求出來更加複雜,且令其等於0之後得到的極值點方程次數過高,遂放棄求其符號意義上的單調性。
當 為負,即雨速在水平面上的分量與人前進的方向夾角大於90度時,或者說當你望向目的地時,雨是迎面而來(不一定要求是直直的迎面而來,可以有左右方向的傾角),此函式是單調遞減的。2. 而當
為正,情況就變得非常複雜。
2.1. 先說一個相對簡單的情況,即
,即望向終點的時候雨是直直地打到身上而沒有打到身體側面的。
時,顯然y是單調遞減的。當
,此時函式的導函式為:
也就是說,此時y的單調性是與人的速度無關的,但要取決於分子
是正還是負。我們以
這樣的一組特殊引數值來算的話,y"就是正的。這種情況下,跑的速度與風水平方向的速度相等即可淋的雨最少。但要是哪天風特別小,導致
特別小,y"是負的也完全有可能。這樣的話。跑的越快淋的雨越少。
2.2 最為複雜的情況來了。
。這時候的函式變得異常複雜。透過函式形式可以分析出
時,y仍是單調遞減的。但之後y是遞增還是遞減,以及極值點在何處,則變得難以計算。這裡取一組特殊引數值
做一函式影象[1](為了方便看出極值點,將函式影象縱向拉伸了10倍):
函式影象
可以看到極值點大約在
處,即以這個速度奔跑可以淋到最少的雨。
以上。
這是一個曾經被廣泛討論的問題,直至今天還可以在網路和刊物上看到人們的討論。持兩種觀點的都有,有人認為跑步淋到的雨更少,有人認為走路淋到的雨更少。前者認為跑步可以縮短到達某地的時間,因此可以淋到更少的雨。後者認為走路速度慢,和雨的相對速度就小,因此淋到的雨更少。 至於實際的驗證,我只是在探索頻道的《流言終結者》(Mythbusters)節目中見過。對於這個問題,節目組先後在兩期節目中做過兩次試驗,第一次的結果是走路淋到的雨更少,而第二次得到的是完全相反的結論。從而,他們的試驗並沒有讓這個問題變得清晰,而是更加令人迷惑。其實這個問題是一個純粹的數學問題,要解答這個問題,首先我們要明確幾個概念。 第一個概念:“淋到的雨”指的是什麼?對於這句話,我們可以有兩種理解:1.所有的淋到身上的雨;2.某一時刻人身上的雨水量。我們這個問題考察的是哪一個呢?其實我們要考察怎樣才能淋到更少的雨,換一種說法,就是怎樣才能在下雨時更舒適一點。顯然,上面列舉的兩種雨量都會對人的舒適度產生影響,關鍵就是哪種更重要。我們都知道,一個人身上所能儲存的雨量是有限的(頭髮,衣服鞋子,面板上沾的水)。同一個人,在大雨中淋一個小時,和淋十個小時,雖然身上儲存的雨水量是一樣的(不管一個還是十個小時都是溼透),但是感覺肯定是不一樣的。淋十個小時身上遭受的雨水肯定要比一個小時的要多,也肯定比一個小時更難受。所以,“淋到的雨”指的應該是淋到身上的所有的雨,而不是身上儲存的雨水量。第二個概念:“淋到的雨更少”,指的是相同的時間內,還是走過相同的距離?這個可以結合生活實際來理解。平時我們不得不淋雨的時候,無非是想要從一個地方到另一個地方(如果站著不動,比如在雨中幹活什麼的就涉及不到跑還是走的問題了)。所以我們更關注的是走過相同的距離,是跑還是走淋到的雨更少。其實如果我們考察的是相同的時間的話,稍微運用一下極限思維這個問題就有有答案了,就沒那麼有爭議了。想象一下:如果現在全世界都在下雨,而且是一樣大的雨。一個人可以用7.9km/s的速度跑(當然沒人可以跑這樣快,這裡只是做個假設,這個速度我有意設得大一些,只是比這個數還大的話就要飛出地球了),也可以用1m/s的龜速挪步。那麼在一秒鐘之內,哪種方式淋到的雨更多呢?當然是7.9km/s的那個。好了,明確了這兩個概念之後,我們可以把這個問題用更加清晰的語言重新表述:同一個人在密度均勻的雨中從A地到達B地,在這次旅程中,是速度快一些淋到身上的雨更少,還是速度慢一些淋到身上的雨更少? 在進行精確的數學計算之前,我們可以運用生活經驗來做初步的分析。平時天上下起雨的時候,人們大多是加快腳步,還是放慢腳步呢?我想大家看到的大多還是加快腳步吧。試想一下,你現在在一座樓房的門口,前面是一個院子,院子的另一邊是另一座樓。天上正在下著雨,你想要到院子另一端的那座樓裡去。你有足夠的時間,可以選擇用幾秒鐘的時間跑步過去,也可以選擇以蝸牛的速度用一下午的時間慢慢挪過去。哪一種淋到的雨更少呢?如果你跑步過去,也許身上只是稍微溼了一點。如果用一下午的時間慢慢挪過去的話,你到達目的地的時候肯定已經全身溼透了。到了這裡,問題的答案似乎已經很明瞭了。不過要讓我們的結論有足夠的說服力,就必須用精準的計算加以證明。下面就讓我們來計算一下。 想要透過計算得到某種結論,就必須控制變數。我們假設雨是在空氣中均勻分佈的,而且是始終以相同的速度落向地面的。如果我們把雨本身當成參照物,那麼雨就是一些在空中均勻分佈的靜止不動的水滴,就像圖1中的那樣。下雨的過程,可以看成是地面相對於雨滴以雨的速度向上運動。進一步簡化,可以得到圖2中的樣子。
至於雨中的人,我們可以簡化成一個簡單的幾何形體。不妨設為1.0m×0.3m×1.7m的一個立方體。淋到的雨的多少,取決於人在雨中掃過的體積。圖3是在雨中,一個人從A地走到B地的示意圖。綠色方塊代表人。設AB兩地之間的距離為10m,雨下落的速度是5m/s。
先來考慮兩種極端的情況。如果這個人可以不花費任何時間從A地“瞬移”到B地的話,他掃過的面積就等於他的身高乘以AB兩地之間的距離,即1.7×10=17㎡(如圖4所示)。如果他在雨中站著不動,那麼他每秒鐘掃過的雨的面積是雨的速度乘以他頭頂的寬度,即0.3×5=1.5㎡/s(見圖5)。隨著時間的推移,他淋到的雨會逐漸增加直到無窮大。所以,速度無窮大比速度為0淋到的雨要少。
當然,實際的情況是,要從A地到B地,不能靜止不動也不能瞬移,而是需要以一定的速度前進。設此人跑步的速度是8m/s,走路的速度是1m/s。那麼這就相當於此人相對於雨向斜上方行進,豎直方向的分速度是5m/s,水平方向的分速度跑步時是8m/s,走路時是1m/s。 如果他跑步過去,所需時間為:10m÷8m/s=1.25s 則他相對於雨在豎直方向執行的距離為1.25s×5m/s=6.25m。圖6中空白部分就是他在雨中掃過的面積。我們把這塊區域單獨拿出來,可以看到這塊區域由兩個平行四邊形組成,我們設它們為X(紅色區域)和Y(黃色區域)。它們的面積分別為: X:0.3×6.07=1.821㎡ Y:10.3×1.7=17.51㎡
所以總的面積為1.821㎡+17.51㎡=19.331㎡。
如果他走路過去,同樣的道理,所需時間:10m÷1m/s=10s;他相對於豎直方向執行的距離為5m/s×10s=50m。 X:0.3×50=15㎡ Y:10.3×1.7=17.51㎡
總的面積為15㎡+17.51㎡=32.51㎡。因此,跑過去比走過去淋到的雨要少。透過計算我們發現,走過相同的距離,X的面積(頭頂淋到的雨)和行進的速度成反比,而Y的面積(身體前面淋到的雨)和行進速度沒有關係。因而整體來看,行進的速度越慢,人在雨中掃過的區域就越陡峭,面積也就越大。所以最終我們得到結論,同一個人在密度均勻的雨中從A地到達B地,在這次旅程中,速度快一些淋到身上的雨更少。
完畢。
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4 # 魚遊天空
實踐出真知。
站著淋雨多,還是跑步淋雨多?這個問題首先要看時間的長短,我自己的實驗是:
假如時間比較短,1分鐘以內:
中小雨情況下,站在原地淋雨和跑步,是一樣的。
在大雨的情況下,跑步淋雨要少。
如果時間長,比如超過五分鐘,不管中小雨,還是大雨,站著或跑步,淋雨程度一樣。
但是,這個實驗正確麼?或者它僅僅是感官上的錯覺?
實際上,當雨量不變的情況下,淋雨的程度,起決定作用的是“時間”。在雨中的時間越長,淋雨程度必然越大。
那麼,在同等的時間、同等的雨量下,速度會帶來“淋雨程度”的改變麼?另一個有趣的實驗是:
當小雨的時候,我在雨中漫步行走五分鐘以內,身上並沒有多少雨水。但是,當我換上電動車或者摩托車高速行駛,情況完全不一樣了——臉上、身體的前部分全被淋溼了。這時候,似乎速度越快,被淋的反而越多。
以上為實驗情況。真相如何呢?
我們先來看看——雨水、人、速度這三者的關係。雨水(w)的大小,這是定量,人(R)也是定量,速度(V)是變數。
顯然,在雨水(w)和人(R)不變的情況下,速度(V)越快,人所接觸的雨水也就越多。
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5 # nikejian
如果沒有指定避雨點的話,那麼你一直跑,一直淋,直到雨停,站著也是一直站,一直淋,直到雨停,那麼單位時間內兩者淋的雨量相等。如果有避雨點的話,那麼跑步的相對被雨淋的時間較少。滿意不?
回覆列表
這個問題,中央臺有套節目上作過實驗,證明:在相同的距離內,跑快的人比走的慢的人身上淋的雨多。因為跑快的人淋雨的時間短,走的慢好人淋雨的時間短。所以在下雨的時候,在相同的時間內,站著的人和跑步的人淋的雨一樣多。