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科普新篇-1:马路上的力学(一)楔子 精选

已有 7104 次阅读 2012-6-1 07:35 |个人分类:科海随笔|系统分类:科普集锦|关键词:科普 无处不在的力学 交通系统 交通科学

【按】今天是“六一”国际儿童节,这里推出一个新的博文系列——“科普新篇”,想用浅显的语言,写一些中小学生也能看懂的科普文章,希望引起青少年朋友的共鸣。

 

近年来,我一直在说,“力学无处不在”,在学校里开设了名为“无处不在的力学”的新生通识课;上周还在复旦为大学生做了题为“力学通识奏鸣曲——无处不在的力学”的讲座。在我的通识课中,有一章的题目是“马路上的力学”。

有人会问:马路上哪有什么力学?如果你是一个爱琢磨问题的人,你可能设问:

汽车为何能在马路上疾驶?它们的驱动力何在?

汽车为何各色各样?许多小轿车为什么有如此俊俏的流线型外貌?

我们出行时为什么总会遇到交通拥堵?交通拥堵是怎样形成的?

为什么“早高峰”、“晚高峰”时段,交通拥堵会像瘟疫一样迅速传播?

为什么明明马路上车辆不算太多,也会有“幽灵缠身”般的拥堵?

为什么会发生连续追尾事故?

交通拥堵能不能疏解?

为什么驾车在繁华街道行驶时会一个又一个地“吃红灯”?红绿灯怎样配时才能减少拥堵?能不能幸运地“一路绿灯”?

为什么节假日观灯时,拥挤的逆向行走的行人会排成多个纵队?

马路上有突发事故时,行人乱作一团,能不能及时化险为夷?

为什么车辆开得越慢,尾气污染越厉害?

为什么在马路两侧高楼林立时空气污染会特别严重?这种污染型的“街道峡谷”是如何形成的?怎样化解?

…………

问题太多了,还可以一路问下去。答案何在?告诉你,力学家、物理学家能从根子上(说得高深一点,从机理上)给出这些问题的答案。

 

交通工程学告诉我们,马路(包括交通设施)、车辆和人(司机、行人)构成很复杂的交通系统。怎么来看交通系统?眼光不一样,结论也不一样。在力学家、物理学家的眼中,交通系统是五光十色的,是一个由多个“自驱动”粒子组成的复杂系统。他们先把行进着的车辆和行人看成“粒子”,就跟黄豆、谷粒差不多,但是,一般情况下,黄豆、谷粒不会自己滚来滚去,而车辆有人驾驶,行人有自己的腿,他们会按自己的意愿行动,所以是“自驱动”的。一大堆自驱动粒子跑到一起来了,如果数目不大,马路很宽,就会各走各的道,“井水不犯河水”,相安无事;数目一大,就会挤作一团(发生交通拥堵),甚至打起架来(发生交通事故)。人们对现代交通系统制定了各种规则(交通规则),倘若大家严格遵守规则,打架的情况可以避免,然而,挤成“一锅粥”仍在所难免。

既然有一大堆自驱动粒子构成交通系统,“粒子们”得遵守一定的人为规则。科学的奇妙之处在于,人们发现了系统还存在着“自然法则”,它们在冥冥中“驾驭着”这种系统,这就是所谓“非线性动力学行为”、“自组织现象”等,这些正是力学家、物理学家最感兴趣的。前面提到的逆向行进拥挤人群的自动成行,就是自组织现象。再举一个例子:乌鲁木齐市某俱乐部发生的那次火灾,逃生时罹难者倒在出口处,形成了一个个“同心圆弧”,这种“成拱”也是自组织现象。

人们能否掌控这种复杂的交通系统?我说,只要从力学、物理学的角度充分了解这类系统的特征和运行的内在机理,就可把它们玩弄于股掌之间。但是这是一篇“大文章”,且听我从头说起。先说说力学家、物理学家眼中的交通拥堵。

小学老师就告诉我们,世上的物质有“三态”:气态(如空气、水蒸气)、液态(如水)和固态(如冰),也可把它们统称为气、液、固“三相”,在一定条件下,这三种“相”可以变来变去,比方说,常温下的一盆水(液相),加热到一定的温度(如一个大气压下到100摄氏度),就变成了水蒸气(气相);而在低温(如一个大气压下到0摄氏度)下,就变成了冰(固相),这时我们就说,发生了“相变”。

各类科学知识可以相互借鉴,从科学方法论角度来看,就是“移植法”。力学家、物理学家是最善于“移植”的一群学者,他们把“相”和“相变”的概念移植于交通系统:道路交通状态大致可以分成三种(三相):车流密度较低的时候,交通畅行,流动自由,像不像气体?就将其唤作“自由流动相”;马路上车辆一多,就没那么自由了,人们往往看到,各个车道的车辆齐头并进,速度相差无几,像不像液体在流淌?这就是所谓“同步交通相”;车流密度再高一点,糟糕了,车跟车“咬”在一起,停在马路上岿然不动,像不像结冻成冰(固相)?这就是所谓“拥堵交通相”。就像气相-液相-固相会发生相变一样,“自由流动相”-“同步交通相”-“拥堵交通相”之间也会发生“相变”,车流到了某个“临界密度”,相变就要发生。

为了弄清交通拥堵的内在机理,就要研究这种司空见惯的“相变”,这里头的学问大了去了,一下子说不清楚,且听我日后慢慢道来。这里,我只是告诉大家,力学、物理学教科书里提到的种种现象,例如“回滞”(hysteresis)、“成簇”(clustering)、“相分离”(phase separation:“激波”(shock wave)、“孤立波”(solitary wave)、“混沌”(chaos)、“分叉”(bifurcation)等等,在交通系统里都可以找到“影子”。当流体力学家审视交通系统时,自然地把交通流看作运动流体,其中充斥着各种密度波:在交叉口出现的拥堵车队就是“交通激波”,绿灯一亮,车队疏解,就出现了“交通稀疏波”,一般以固定速度向后传播;在形成交通拥堵之前,一定会出现非线性失稳现象,然后涌现各种各样的“交通孤立波”:为力学、物理学界熟知的KdV孤立波、mKdV孤立波(纽结-反纽结孤立波)等等。有点复杂了,是不是?以后我会用简单通俗的语言把它们讲清楚。

 

最后,要告诉大家,经过力学家、物理学家会同研究交通的各路精英的长期努力,已经掌握了交通科学的各种规律,并有了良好的对策。只要好好学习和运用以数学、力学、物理学为基础的交通科学,我们会赢得畅行交通的局面。其中还期待年轻朋友的加盟。

 

写于201261日晨



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