知乎热榜 ( ) • 2022-07-29 17:37
贾明子的回答

我们可以用一个简单的模型来估算一下。

先做几个假设:

  1. 真空球形鸡原则:人的躯干是一个圆柱形,直径为 R ,高度为 H
  2. 假设下雨天无风,雨滴竖直下落。

然后定义几个术语:

  • 雨滴下落的终端速度: v_t=v_y
  • 人行速度: v=v_x
  • 降雨强度(每单位时间单位水平面积中雨水的通量): I
  • 降雨时间持续: t_r
  • 人体的竖直截面积: A_y ,水平截面积: A_x

那么,人在雨中行走,所看到的雨滴是斜向而来的,竖直分量就是雨滴的下落速度,水平分量则是人行速度。

那么,在一段时间内人的淋雨量包括了两个部分:一个是从头顶淋下的雨量,一个是水平淋到躯干上的雨量。那么,在一段时间t内,在竖直方向上的淋雨量是:

V_y=IA_y t

他在水平方向上的淋雨量是:

V_x=I\frac{v_x}{v_t}A_x t

所以,总的淋雨量则是:

V=V_x+V_y=I\left( \frac{v_x}{v_t}A_x+A_y \right) t

这里,淋雨时间取决于降雨时间、以及走路时间。现在想象一个场景,你距离避雨的场所为L,现在突然下起雨来了,你的淋雨时间是多少?

很显然,如果在你走到避雨场所之前,雨就停了,那么你的淋雨时间就是降雨时间。如果你走到避雨场所的时候,雨仍然在下,那么你的淋雨时间就是你走到避雨场所所需要的时间。

t=\left\{ \begin{matrix} \frac{L}{v}  & \frac{L}{v}\leq t_r\\  t_r & \frac{L}{v}>t_r\end{matrix} \right.

所以,

V=\left\{ \begin{matrix} I\left( \frac{v}{v_t}A_x+A_y \right) \frac{L}{v}&\frac{L}{v}\leq t_r\\  I\left( \frac{v}{v_t}A_x+A_y \right) t_r &\frac{L}{v}>t_r\end{matrix} \right.

很容易就可以得到:

V=\left\{ \begin{matrix}\frac{LI}{v_t}A_y\left( \frac{A_x}{A_y}+\frac{v_t}{v} \right) &\frac{L}{v}\leq t_r\\  It_rA_y\left( \frac{v}{v_t}\frac{A_x}{A_y}+1 \right) t_r &\frac{L}{v}>t_r\end{matrix} \right.

这个公式参数众多,很不容易分析。我们按照惯例,采取一些“无量纲化”的方法。

首先,我们定义一个速度的单位标度,也就是雨滴的终端速度,从而把速度写成无量纲的速度:

u=\frac{v}{v_t}

其次,我们用一种方式定义一个时间的单位标度:

T\equiv\frac{L}{v_t}

那么,降雨时间就可以写作:

\tau_r=\frac{t_r}{T}

于是,我们就把上面的公式写成一个无量纲的表示:

V=ITA_y\left\{ \begin{matrix}\left( a+\frac{1}{u} \right) &u\geq\frac{1}{\tau_r}\\  \left( 1+au \right) \tau_r &u<\frac{1}{\tau_r}\end{matrix} \right.

于是,我们可以看到, TI 是两个只和降雨本身有关的参数, a=\frac{A_x}{A_y} 是一个人胖瘦的参数(可以称之为“身材指数”)。和过程有关的就只有两个参数了,一个是无量纲的行人速度 u ,另一个是无量纲的降雨时间 \tau_r 。于是,这个公式后面的无量纲数就表示了人的淋雨的相对量。

x=\left\{ \begin{matrix}\left( a+\frac{1}{u} \right) &u\geq\frac{1}{\tau_r}\\  \left( 1+au \right) \tau_r &u<\frac{1}{\tau_r}\end{matrix} \right.

我们大致估计,一个人的身高约175cm,直径约40cm,由此我们可以得到身材指数大约是6左右。我们可以作图如下:

图中不同颜色的曲线,对应的是下雨时常的不同。我们以加粗的黑色曲线为例,这个曲线有一个明显的转折点,这个转折点的意思就是,当我到达避雨场所的时候,雨刚刚停。

而如果我们的速度小于这个点,就说明,在我们跑到家之前,雨已经停了;反之,则表示当我们到家的时候,雨仍然在下。

我们可以看到这样几个结论:

1、如果雨下的时间较短,在我们到家之前它就已经停了,那么,我们跑得越快,淋雨越多。原因是当我们跑的时候,雨相对于我们的下落就是倾斜的,增大了受雨的截面积。

2、当我们在雨停下之前就跑到家了,我们的淋雨量不一定会小。从上图中可以看出,灰色的曲线中,当我们完全不动,和我们高速奔跑,最终的淋雨量大致相同。这个是什么条件呢?我们不妨看看上面的条件,假如我们以 v\rightarrow\infty 的速度奔跑,我们的淋雨量是

V=a

而如果我们原地不动,我们的淋雨量则是:

V=\tau_r

当下面条件满足的时候,我们无论怎么跑,最终也不可能使我们淋雨量更少

\tau_r\leq a

也就是说,看看你自己的身材,再预估以下下雨的时间,你大概就知道你跑有没有用了。当下雨的时间足够短,或者说你足够胖,别跑了,毫无意义,跑得再快也没用。

3、即使是再下雨时长极长的情况下,跑也不总是有意义的。下图是雨一直下的情况

我们可以看到,当我们的速度大于0.5的时候,基本上跑再快,淋雨量也不会怎么减少了。这大约对应着5m/s的速度。事实上,考虑到跑步出汗,大约在3m/s以上,就没有必要跑得再快了。