马路上的力学
2015/10/19 16:56:07 中国科普博览

     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，还可以一路列举下去。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。

    

     孤立波示意图

     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。

     (戴世强)

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