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这不是堵车,这是通过汽车传导的冲击波!

(文/William Beaty)我住在美国的西雅图,每天上下班大约花45分钟(情况好的时候是这样;有时候单程都要2小时)。这给了我大量的时间观察去往来车辆的有趣模式。无聊使我把车流幻想成汩汩流水,而一辆辆的车则是巨大的水分子。很多个月过去了,我渐渐意识到这不是幻想。为什么我从来没有注意到明摆在那儿的“交通流体动力学”呢?就这么着,我开始用我的车去“刺探”车流——观察终究会走向试验,对吧?作为“业余交通动力学家”,能做的事情可多了。不过,先来看一些基本的现象。【编辑的话:“试探”拥堵路况,将在第二篇中发布。】

神秘的拥堵

你有没有遇到过这种情况,你在州级高速路上开着车,突然路就堵起来了,你一寸一寸往前挪,等着看前面出了什么事故,末了还骂上两句那些好从车里探出头来看热闹的人,正是这些家伙造成了堵车。但不一会儿你前面的车辆都飞速向前驶去。车不堵了,没有事故、没来警车,什么都没有。究竟发生了什么事情?啥都没有为什么会堵车?从后视镜里望去,你后面的那些倒霉司机还被困在那里。究竟是什么造成了这一神秘的拥堵呢?

在经历了多次这样的无形事故以后,我得出了下列结论。为了便于理解,不妨想象你正直升飞机上俯瞰整个车流。

图1:出事故以后,车辆在后面排成一列。

在(图1)中,我画了一条单行道,一起事故以及一长串堵在出事车辆后面的车。其他的车从左边开过来后也停下来等着。假设出事故的车(红色表示)只是临时停在那里,它有可能只是在冰上打了一下滑。当红色的车开走以后,会发生什么情况呢?

图2:车流渐渐在后面“聚集”起来

在上面的(图2A)中,障碍物被挪走了。但不是所有的车都能往前,因为大多数车都被困在停止的车后。(图2B)显示的是过了一会儿的路况,(图二C)则是再往后一会儿的。注意(图2A)中橙色的车,看看它是如何在平面中变得不堵,然后开始往前进的。与此同时,(图2A)中红色的车靠近过来,被淹没在堵住的车流里。

移动的拥堵波

事故车辆被移开以后,似乎没有理由会继续堵车。但实际上堵车还会继续。原因很简单:如果我停在一辆停着的车后面,那么我没有办法往前开,等在我后面的车也一样。所有被堵住的车都是这样一个情况。即使造成堵车的障碍物没有了,大家仍然处于静止的状态,因为如果要开车,就得所有车辆在同一时间一同启动。司机不会这么做,因为他们每个人都在等着前面的那辆车启动。如果我被堵在车流里,就算我想往前开,空间也不够,我会撞上前面的那辆车。其他人的想法也跟我一样,所以没有人会动。

当我面前那辆车开走时,我仍然不能瞬间加速,因此我会停上片刻。我必须留出一定的空闲。要是我突然加速,和前面的车就靠得太近,会很不安全。每辆车都会等一会儿再发动,这使得“堵车”从距离事故现场的那端开始,逐渐向下游扩散,直至消失不见。

从(图2A)开始看起,车辆依次脱离拥堵。(图2B)当中,拥堵波已经从事故现场移开,在(图2C)和(图2D)中已经离开很远了。但有意思的是:虽然车是从左往右开,但“蒸发波”的运动方向却是相反的,它从右向左(※此处已更正)逐渐扩散到车流里面。

还有一点很重要。虽然有些车还停着,但是还有更多的车在一辆一辆地在后面拥堵起来。就是移走了事故车辆的残骸,还是会有越来越多的车“聚集”到车流的后面。被堵住的车流就像一个固体,前端在不断蒸发,后端却在不断结晶。汽车是从左往右开的,但是观察静止不动的车辆的这个整体:静止在慢慢往上游挪动,与汽车运动的方向相反。事故没有了,却留下了一串运动的拥堵车流。这不是堵车,而是一个通过“汽车载体”传播的冲击波。它是血管里的交通血栓,不停游走的交通堵塞。

并不是出了事故才出现了拥堵波

这些运动的拥堵波在交通高峰时很常见。并不一定要有事故了才会出现,有时候只是很小的摩擦——超一下车、在施工现场合并车道,或者只是从匝道上开进来一辆车——都有可能形成这样的波。用交通工程学的行话说,这些都可以造成高速公路上的“事件”。你为了看热闹而把速度放慢一点,可能制造这样一个波。每次你为了从下一个出口离开高速公路减速并道时,也会制造这样的波。

有时,它们完全是凭空出现。像海风吹起的海浪,或是飘荡的旗帜上的波纹,就这么从穿行的交通中“冒出来”。这就是非线性动力学当中所谓的“自发现象”。

在事故现场清理以后,“拥堵波”还会持续多久?它的生命周期取决于车流量的大小和被困在拥堵里的车辆数量,但有时这些东西可以持续上很多个小时。当车流量较小的时候,拥堵可能一会儿就衰减不见了。但如果车流量一直很大,那么拥堵波根本就不会消失。此外,如果条件适当(“结晶”的速度比“蒸发”快),那么哪怕只是一个很小的波,也有可能越变越大。这有点像往一瓶过饱和溶液中滴一滴晶种。当车流量大且不怎么稳定时,一个司机就可能导致整个交通都冻结。

所以,下次你上下班遇到堵车时,把它想象成一股向你的汽车袭来并将其吞没的压力波。把堵车看成是一个简单的生物,由汽车而非分子构成。不要气馁,期待这条结晶变形虫过会儿就把你的车从它里面拉出去。

更正说明:“蒸发波”的运动方向是从右向左,而不是原文发布之初描述的“从左向右”。经读者 @冰火梦幻 指出后更正。特此说明。(2013-10-24,14:45)
 

编辑的话:在业余交通动力学家的下一篇中,作者将开着车,对静止的拥堵车流进行试验,得到第一手的拥堵波刺探数据!不过,这等行为有相当大的风险,请不要模仿。遵守交通规范,注意行车安全!
 


编译自:SmartMotorist.com,The Physics Behind Traffic Jams
文章小图:Shutterstock友情提供

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The End

发布于2013-10-23, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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