初等模型 划艇比賽的成績

2021-10-02 06:32:42 字數 1746 閱讀 4245

賽艇是一種靠槳手划槳前進的小船,分單人艇、雙人艇、四人艇、八人艇四

種。各種艇雖大小不同,但形狀相似。t. a. mcmahon比較了各種賽艇1964-2023年四次2000m比賽的最好成績(包括2023年和2023年的兩次奧運會和兩次世界錦標賽),見表1第1至6列,發現它們之間有相當一致的差別,他認為比賽成績與槳手數量之間存在著某種聯絡,於是建立了乙個模型來解釋這種關係。

問題分析

賽艇前進時受到的阻力主要是艇浸沒部分與水之間的摩擦力。艇靠槳手的力量克服阻力保持一定的速度前進。槳手越多划艇前進的動力越大。但是艇和槳手總質量的增加會使艇浸沒面積加大,於是阻力加大,增加的阻力將抵消一部分增加的動力。建模目的是尋求槳手數量與比賽成績(航行一定距離所需時間)之間的數量規律。如果假設艇速在整個賽程中保持不變,那麼只需構造乙個靜態模型,使問題簡化為建立槳手數量與艇速之間的關係。注意到在實際比賽中槳手在極短的時間內使艇加速到最大速度,然後把這個速度保持到終點,那麼上述假設也是合理的。

為了分析所受阻力的情況,調查了各種艇的幾何尺寸和質量,表1第7至10列給出了這些資料。可以看出,槳手數n增加時,艇的尺寸l,b及艇重wo都隨之增加,但比值l/b和wo/n變化不大。若假定l/b是常數,即各種艇的形狀一樣,則可得到艇浸沒面積與排水體積之間的關係.若假定wo/n是常數,則可得到艇和槳手的總質量與槳手數之間的關係.此外還需對槳手體重、划槳功率、阻力與艇速的關係等方面作出簡化且合理的假定,才能運用合適的物理定律建立需要的模型。

模型假設

1.各種艇的幾何形狀相同,l/b

l/bl/

b為常數;艇重w

0w_0

w0​與槳手數n

nn成正比。這是艇的靜態特性。

2.艇速v

vv是常數,前進時受的阻力f

ff與sv2

sv^2

sv2成正比(s

ss是艇浸沒部分面積)。這是艇的動態特性。

3.所有槳手的體重都相同,記作w

ww;在比賽中每個槳手的划槳功率p

pp保持不變,且p

pp與w

ww成正比。

假設1是根據所給資料作出的必要且合理的簡化。根據物理學的知識,運動速度中等大小的物體所受阻力f

ff符合假設2中f

ff與sv2

sv^2

sv2成正比的情況。假設3中w

ww,p

pp為常數屬於必要的簡化,而p

pp與w

ww成正比可解釋為:p

pp與肌肉體積、肺的體積成正比,對於身材勻稱的運動員,肌肉、肺的體積與體重w

ww成正比。

評注

這個模型建立在一些不太精細的假設的基礎上,因為我們只關心各種艇之間的相對速度,所以數學工具只用到比例方法。用這種方法建模雖然不能得到關於艇速的完整的表示式,但是對於我們的建模目的來說已經足夠了。

第二章 初等模型

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