你的问题其实是一个经典的“雨中行走/奔跑”淋雨模型,很多数学和物理教材里都讨论过。我帮你梳理一下思路,并用简单的数学推导来比较“快”和“慢”的淋雨量。
1. 基本模型假设:
- 人的形状简化为一个长方体:高 H,宽 W,厚 D(前进方向的厚度)。
- 雨滴均匀、竖直下落,速度 vr(米/秒),雨量用“降雨强度” R(单位:米/秒,即单位时间单位面积上的雨水体积)表示。
- 人从起点到终点距离 L,人的速度 v(米/秒)。
- 时间 t=L/v。
2. 淋雨的两个来源淋雨分两部分:
(1) 顶部淋雨顶面积 At=W×D(注意:这里 D 是身体厚度,但顶部面积是宽×厚,高是 H 用于侧面)。更准确:顶部面积 Atop=W×D。在时间 t内,顶部接收的雨水量 = R×Atop×t。因为 t=L/v,所以Qtop=R⋅(WD)⋅vL
(2) 正面淋雨正面面积 Af=W×H。雨滴相对人的速度:竖直向下 vr,水平方向人向前 v,所以相对速度斜向前下方,大小 v2+vr2。但只有垂直于人前面的雨滴通量才计入正面淋雨。一种方法:在雨中,人前方单位面积单位时间接收的雨水量,等于雨滴密度×人相对雨滴的速度在法向上的分量。更简单方法:想象人静止,雨以 vr竖直和 v水平(从前方)而来,所以雨滴相对人的速度与竖直方向夹角 θ,tanθ=v/vr。单位时间打在单位正面面积的雨水量 = R×v2+vr2 在正面法向的分量? 其实更直接:在静止空气中,雨的通量密度是 R方向竖直,但人运动时,雨相对于人的速度矢量大小 u=v2+vr2,方向斜向人。单位时间通过垂直于相对速度方向的单位面积的雨体积 = R⋅vru(因为 R是用水滴下落速度 vr算的,通量=雨滴数密度×vr=R,现在相对速度变了,雨滴密度不变,所以通量按速度比例放大)。但更严谨物理推导:降雨强度 R=雨滴数密度×每滴体积×vr。当人运动时,相对速度 u,则垂直相对速度方向的雨的通量 = 雨滴数密度×每滴体积×u=R⋅vru。现在,人正面面积的法向是水平方向,与相对速度方向夹角关系:相对速度在正面法向上的分量是 v(因为竖直的 vr对正面法向无贡献,只有水平相对速度 v对正面有贡献?等一下,这里容易错)。我们分解:相对速度 u与竖直方向夹角 θ,cosθ=vr/u,sinθ=v/u。正面法向是水平,与相对速度夹角 90∘−θ? 我们取正面法向为前进方向(即正面迎着雨滴的水平速度),那么相对速度在正面法向上的投影大小就是 v(因为 vr竖直,投影到水平向前方向为0?不对,这里混淆了——实际上,人向前,雨相对人水平向后速度 v,所以相对速度在正面法向(即朝前)的分量是 v? 不,法向朝前,相对速度的水平分量朝后,大小 v,所以分量是 −v,绝对值 v。竖直分量 vr在正面法向投影为0。所以单位时间单位正面面积接的雨水量 = 雨滴数密度×单滴体积×(相对速度在法向的分量),但必须只算打中正面的——即相对速度矢量在法向的分量(如果分量为正则打到,为负则打不到背面)。这里分量为正(因为相对风从前向来),所以是 v? 不对,仔细想:
正确推导:设雨滴密度 ρ(体积/单位体积空气),则降雨强度 R=ρvr。人运动时,正面面积 Af,在 dt内,会击中正面的雨滴是那些位于相对人速度的水平分量方向上的雨滴。更直观方法:在 dt内,人向前移动 vdt,会扫过一个体积:这个体积是人的正面面积 Af乘上相对地面的水平位移 vdt,但这个体积内的雨滴在 dt内会打到人脸上吗? 不是,因为雨滴也在下落。其实标准做法:取一个静止的体积,人穿过时,雨滴打中正面的速率 = 正面面积 × 雨滴密度 × 人相对雨滴的水平接近速度。但雨滴竖直下落,人水平运动,所以雨滴相对人的水平速度就是 v,因此正面接雨率 = Af×ρ×v? 检查量纲:ρ是体积浓度(立方米水/立方米空气),所以 Afρv= 米^2 × (米^3/米^3) × 米/秒 = 米^3/秒,对,是体积流量。代入 ρ=R/vr,则正面淋雨率 = Af⋅vrR⋅v。所以正面淋雨量(全程):Qfront=(Af⋅vrR⋅v)⋅t而 t=L/v,所以Qfront=Af⋅vrR⋅v⋅vL=Af⋅vrR⋅L
注意:正面淋雨量与人的速度 v无关!
3. 总淋雨量Q=Qtop+QfrontQ=R⋅WD⋅vL+R⋅WH⋅vrL其中 Atop=WD,Af=WH。
4. 分析- 顶部淋雨 ∝1/v:速度越大,顶部淋雨越少。
- 正面淋雨 与 v无关,是常数。
所以总淋雨量:Q(v)=vRWDL+vrRWHL显然,v越大,第一项越小,第二项不变。所以
速度越快,总淋雨量越少。
5. 极限情况- 如果 v→∞,Q→vrRWHL(最小值)。
- 如果 v→0,顶部淋雨量趋于无穷大(因为你在雨里呆的时间无限长)。
6. 体感问题你说“体感好像都湿了”——
- 当速度很快时,顶部淋雨时间短,但正面单位时间淋雨强度大(雨打脸更疼),可能瞬间就湿透正面,而顶部、背部湿得少。
- 当速度慢时,全身均匀湿透,总水量多,但打脸不那么疼。
- 一旦衣服湿透,多点儿水感觉没差别,所以体感可能都是湿,但总水量不同。
7. 如果考虑背部淋雨?当人速度足够大,可能背后淋不到雨(因为相对雨滴的速度方向来自前上方),上述模型已假设只有顶部和正面迎风面淋雨,背面和侧面忽略(风速不大时合理)。若雨斜风,则需修正模型。
结论:数学上,骑得快淋雨总量少(只要忽略溅起的地面水花和风向变化)。最快速度到达终点可使顶部淋雨最少,正面淋雨量固定,所以总淋雨最少。
本帖最后由 hjun 于 25-9-30 17:06 编辑