回家堵车?那是通过汽车传导的冲击波!

作者: William Beaty

来源: 果壳

发布日期: 2016-02-14

本文探讨了交通拥堵的成因及其背后的物理现象,解释了即使没有事故,拥堵也会持续的原因,并提出了拥堵波的概念,即通过汽车传导的冲击波。

今天是节后上班的第一天,怎么样,堵在路上的滋味是不是还是那样的熟悉?有时你正开着车,突然路就堵起来了,一寸一寸往前挪,等着看前面出了什么事故,前面车尾的红条闪个不停,喇叭声此起彼伏。前面肯定又撞了!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。那前面为什么那么堵?你是不是在逗我?前面究竟发生了什么事情?为啥子没有为什么会堵车?

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?

为了便于理解,不妨想象你正直升飞机上俯瞰整个车流。在(图1)中,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?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。

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。

我们再来看这张图: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。

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,生气可不是个好选择。

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