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堵车是如何产生的?

2022-08-06 15:38:45

     堵车的根源是什么?答案可能跟你的直觉不符。
     不是因为障碍物(譬如车祸现场),也不是因为存在不顺畅的瓶颈(譬如入口匝道、凹形路段、隧道)。
     而是因为道路上的车辆太密集了,每千米内的车辆数超过了某个数值。
科学家的研究表明,在高速公路的情况下,这个临界密度的大小为每千米25辆。
当每千米内的车辆数超过临界数值时,即使坦坦荡荡,完全没有瓶颈,堵车也几乎一定会发生。


     根本性的决定因素,就是这个临界密度。
     通过高速公路上的实地观测可以看出,临界密度前后,发生了质变。




     就好比,水是否沸腾,取决于温度是否达到了沸点。
     过了沸点,水就从液体相变成了气体相。



     从不堵车的自由态到堵车的拥堵态,这个转变也是一种相变。
     从统计物理学的角度讲,群体免疫是同一种类型的相变,即非平衡态相变。
     当疫苗接种率或病毒感染率,超过某个临界数值的时候,理论上存在这种可能性:病毒被死死地摁住了,只能零星地爆发,没法全面扩散。当然,这只是物理学家的理论视角,生物学家会说物理学家的理论模型过于理想化,实际情况比这复杂得多。


     不管是自由态还是拥堵态,车辆的速度其实都有扰动和变化。区别在于,在自由态,这种扰动很快被抹平了,这种状态很稳定。但是车辆密度超过临界值时,出现了不稳定性,这种扰动就很容易被放大,最终导致堵车。

     科学家为此构建了数学模型,并首次在一个圆形的路面上做实验,验证了这一理论。




     圆形道路长230米,上面有22辆车。没有任何障碍物和瓶颈,但堵车依然发生了。
     车辆一开始的速度,几乎都是30千米每小时。车间距也都相等。过了一会儿,车间距出现扰动,并且持续放大,最终有几辆车停下来,聚成一团。这一团,最前头的车不断加速离开,最后头又有新的车加入。基本维持在五辆的规模。






     远离这一团的未拥堵车辆,以40千米每小时的速度向前行驶。
     而拥堵的这一团,作为整体,相对地面,以20千米每小时的速度向后退。
     有趣的是,当改成23辆车时,这个后退的速度并没有变化。
     从数学的角度看,这拥堵的一团,可以看做一种孤立波:




     海啸本质上也是孤立波。

     高速公路上的拥堵,虽然规模与此不同,原理实则一样。譬如说,拥堵的这一团,可能远不止五辆,但是根据观察,它们向后移动的速度也是约20千米每小时。

     这项研究很有意思。对于一个日常生活中的问题,先通过观察或猜测,有一个反直觉或符合直觉的假设,并进一步构建数学理论,最后做些实验来提供证据。这样的认知过程,正是科学的诱人之处。




来源:科普君XueShu雪树

最后修改于 2022-08-06 15:39:59
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