建模競賽終極

1、10號(hào)隊(duì)A題：降落傘在下落過程中安全性問題摘要研究降落傘在下降過程中安全性問題，在降落傘的質(zhì)量可以保障的前提下，我們主要以人著陸時(shí)的速度為指標(biāo)來評價(jià)，當(dāng)著陸速度小于8m/s時(shí)，我們便可認(rèn)為人員安全著陸。該問題可轉(zhuǎn)化為降落傘下落高度h，下落速度v，與下落時(shí)間t之間的關(guān)系。并且h,v可以看做連續(xù)變化的，從而可用反應(yīng)連續(xù)變量特點(diǎn)的微分方程予以描述。所以可把該實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為微積分方法的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)牛頓第二定律列出微分方程，通過積分（運(yùn)用Matlab 數(shù)學(xué)軟件）得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程。假設(shè)1.開始便打開降落傘，建立模型一，經(jīng)分析論證此模型確實(shí)可以使人安全著陸，但當(dāng)下落高度較大時(shí)，人在空中滯留時(shí)間太長，與實(shí)

2、際情況不太吻合。進(jìn)而提出假設(shè)2，當(dāng)下落高度較大時(shí)，可以采取下落一定高度后再打開降落傘，以減少下落時(shí)間，建立模型二。經(jīng)分析論證，該模型既可滿足人員安全著陸條件，人員在空中滯留時(shí)間也不會(huì)太長，與實(shí)際情況相符。由于降落傘繩索承受拉力是一定的，為保障人身安全，人傘系統(tǒng)下降過程中不能超過繩索的極限拉力，防止繩子斷開。考慮到這個(gè)問題，建立模型三，此模型約束了降落傘的承重極限和人傘下降的最大速度，從而彌補(bǔ)了模型一二的的缺陷，更加接近實(shí)際。上述模型可根據(jù)實(shí)際進(jìn)一步改進(jìn)，比如空氣阻力與空氣的稀薄程度有關(guān)，而海拔高度h會(huì)影響空氣的稀薄程度，可以認(rèn)為 k=k (h)，此時(shí)就考慮到了下落高度與空氣阻力的關(guān)系，更加接近

3、實(shí)際問題。關(guān)鍵詞：微積分方法 空氣阻力 安全著陸速度 極限拉力一、問題的提出降落傘是利用空氣阻力，依靠相對于空氣運(yùn)動(dòng)充氣展開的可展式氣動(dòng)力減速器，是人或物從空中安全降落到地面的一種航空工具，在航空航天、軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面有著廣泛的用途。降落傘性能好壞直接關(guān)系飛行員、設(shè)備物資的安全性，所以研究降落傘性能顯得很有必要。結(jié)合實(shí)際我們考慮到，飛行員在空中滯留時(shí)間不宜過長，否則會(huì)對后續(xù)工作有影響；同時(shí)考慮使飛行員安全著陸，則要求落地速度在安全范圍之內(nèi)。那么，何時(shí)張傘比較適宜呢？二、問題分析我們現(xiàn)在分析降落傘下降的過程，將人和傘看做一個(gè)整體，很容易想到降落速度是時(shí)間的函數(shù)。在降落過程中，人傘主要受重力和

4、空氣阻力的作用以及氣流運(yùn)動(dòng)的影響，空氣阻力與降落速度存在一定聯(lián)系，這里認(rèn)為空氣阻力與降落速度成正比（在空氣中運(yùn)動(dòng)的物體，受到空氣的阻力，在空氣中如果速度低于2.5 M（馬赫），基本上認(rèn)為其阻力f與阻力系數(shù)k，傘的面積S，速度v成正比 （f=ksv）,這時(shí)k一般可取為2.937。當(dāng)其在空氣中如果速度高于2.5 M（馬赫），由于空氣的摩擦， 開始出現(xiàn)氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。其空氣阻力可視為f=(1/2)CSV2 ）。氣流運(yùn)動(dòng)使降落傘產(chǎn)生水平位移，而我們主要關(guān)心降落速度的垂直分量的變化情況，所以忽略水平分量。對此模型我們只要保證：1.著地時(shí)的速度小于安全著陸速度。2.彈性繩的拉力不超出其最大限定值，并且降落時(shí)

5、間合理。滿足上述兩個(gè)條件即可使人傘系統(tǒng)安全著地。根據(jù)牛頓第二定律，在豎直方向列有關(guān)速度或降落高度的微分方程,并得出運(yùn)動(dòng)方程。而實(shí)際生活中有高空跳傘和低空跳傘，低空跳傘出倉后就立即打開傘，高空跳傘要確定不同高度的張傘速度，速度大小會(huì)影響繩的拉力。下面對不同情況建立數(shù)學(xué)模型。三、模型建立與解答模型假設(shè)1.人傘降落過程中只受重力和空氣阻力作用，忽略氣流流動(dòng)的影響，只考慮在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。2.降落傘打開時(shí)，空氣阻力與降落速度v成正比，與降落傘面積s成正比，即f=ksv成立，且k是與時(shí)間、空氣稀薄程度無關(guān)的常數(shù)；降落傘未打開時(shí)，人在下降過程中，空氣對人的阻力很小，忽略不計(jì)，近似為自由落體運(yùn)動(dòng)。3.降落

6、傘張開后面積不變。4.不計(jì)張傘所用時(shí)間。5.降落傘的質(zhì)量忽略不計(jì)。6.降落傘始終保持軸對稱形狀，人體的重心和傘的形心保持在同一條豎直直線上。7.重力加速度不隨高度變化，為一定值，取做9.8 m/。8.人傘在下降過程中，降落速度為連續(xù)變化的函數(shù)，并且降落傘繩不考慮突變。9.人傘系統(tǒng)安全著陸時(shí)的著陸速度小于（經(jīng)查閱資料獲得）。符號(hào)說明：飛行員的質(zhì)量（題中指出忽略降落傘的質(zhì)量）：重力加速度:人傘系統(tǒng)下落時(shí)的加速度：對降落傘的空氣阻力：繩的拉力：繩與豎直方向夾角：飛行員出倉后降落的高度：從出倉到張傘時(shí)飛行員下落的高度：從張傘到落地下落的高度：飛行員降落速度：張傘時(shí)飛行員的速度：飛行員著陸速度：降落時(shí)間

7、：自由落體運(yùn)動(dòng)階段降落的時(shí)間：張傘后降落所用時(shí)間：降落傘的面積：阻力系數(shù)（約為2.937）模型一：飛行員出倉后立即打開降落傘根據(jù)牛頓第二定律，可得又以及微分關(guān)系，得解得 取定參數(shù)：m=70kg,g=9.8m/,s=30,k=2.937繪制h-t圖像如圖1圖1觀察圖像，我們發(fā)現(xiàn)，人出倉后立即打開傘，經(jīng)過很短的時(shí)間加速到某一速度后，人傘基本上做勻速直線運(yùn)動(dòng)。結(jié)合運(yùn)動(dòng)方程 變形得分析，由圖像可知，在給定參數(shù)下，當(dāng)t不斷增大時(shí)（即使不是無窮大）接近于零，h變成了t的一次函數(shù)， ，其斜率即為勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，人傘也將以此速度著陸。在給定參數(shù)的前提下，落地速度為1.當(dāng)參數(shù)改變時(shí)，由（其中g(shù),k為常量）

8、，可得：若傘面積s一定，人的質(zhì)量m增大時(shí),落地速度v增大，相同高度下下降時(shí)間t減小，反之v減小，t增大。若m一定，s增大時(shí)，v減小，時(shí)間t增大，反之v增大，t減小。所以，我們考慮的整體影響。2.查閱資料知：當(dāng)人以8的速度著陸時(shí)，可保障人身安全，即8重60kg的人，傘的面積為25即可安全著落重70kg的人，傘的面積為30即可安全著陸3.由h-t關(guān)系式，在最初給定參數(shù)下，我們列出下落高度h與所需時(shí)間表格如下h(m)1002003006008001000230030005000t(s)11.622.4336587108246322536從表格的數(shù)據(jù)中可以看出，降落高度為幾百米時(shí)的降落時(shí)間較為合理，當(dāng)

9、降落高度較高或過高時(shí)，降落時(shí)間過長，在實(shí)際生活中會(huì)延誤后續(xù)的工作。所以，此模型適宜低空跳傘，當(dāng)跳傘高度很高時(shí)，需重新考慮，由此建立模型二。模型二：飛行員下落某一高度時(shí)再打開降落傘降落傘未打開過程（打開時(shí)的速度為）人做自由落體運(yùn)動(dòng)，降落高度為降落傘打開后的過程根據(jù)牛頓第二定律即微分方程，得解得取定參數(shù)：m=70kg,g=9.8m/,k=2.937,s=30，取=350m/s繪制圖像如圖2圖2由圖形可以看出，傘打開后，在幾秒之內(nèi)減小到某一較小速度，之后以此速度勻速下降。經(jīng)分析此速度為，與無關(guān)。所以跳傘者在打開傘后需減速到以后著陸，才能保障安全。此時(shí)，需討論何時(shí)打開降落傘，即張傘高度。根據(jù)關(guān)系式，張

10、開傘后時(shí)間段內(nèi)下落高度，可積分得 得飛行員降落的總高度為得 又 得運(yùn)動(dòng)方程當(dāng)時(shí)間超過20秒后 非常接近零 因此對 近似計(jì)算 經(jīng)圖像分析，即使=350 ，經(jīng)過20后也完全可以保證人以8 安全著陸，所以我們有理由相信只要人張開傘后有20的空中滯留時(shí)間，就可以安全著陸。將代入得到 空降總高度=+ 得=+ 得給定的一個(gè)空降高度，我們就可以合理的給出一個(gè)張開傘的速度，由即可求得從開始到打開傘所用的時(shí)間。對系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析：給定參數(shù)，人的質(zhì)量為70kg,傘的面積為30，k=2.937, g=9.8m/ 由=+ 得的關(guān)系圖像如圖3圖3數(shù)據(jù)分析：當(dāng)下落高度為2300米時(shí)，由圖像可算得當(dāng)速度達(dá)到200m/s

11、時(shí)，張開傘比較合適。自由落體所用時(shí)間=20.4s，即人降落2000米后打開傘,張開傘到落地時(shí)間=20s,空降所用的總時(shí)間為40.4s,并且著陸速度v=dsolve(Dv+k*s*v/m-g=0,v(0)=a,t)v =g/k/s*m+exp(-k*s/m*t)*(-g*m+a*k*s)/k/s高度程序h=dsolve(D2h+k*s/m*Dh-g=0,h(0)=0,Dh(0)=0,t)h=g/k/s*m*t-g*m2/k2/s2+g*m2/k2/s2*exp(-k*s/m*t)繪圖程序：圖1h=dsolve(D2h+2.937*30/70*Dh-9.8=0,h(0)=0,Dh(0)=0,t)h

12、 =68600/8811*t-480200000/77633721+480200000/77633721*exp(-8811/7000*t)t=0:0.01:60;h=68600/8811*t-480200000/77633721+480200000/77633721*exp(-8811/7000*t);plot(t,h)圖2v=dsolve(Dv+2.937*v*30/70-9.8=0,v(0)=350,t) v =68600/8811+3015250/8811*exp(-8811/7000*t)t=0:0.01:20;v=68600/8811+3015250/8811*exp(-8811/7000*t);plot(t,v