Les embouteillages

2 01 2012

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, les embouteillages ne sont pas systématiquement provoqués par des accidents ou des rétrécissements. En île de France, seuls 13 % des embouteillages sont expliqués par des travaux ou d’autres perturbations. Ainsi la plupart des bouchons n’ont pas d’origine apparente. Comment comprendre alors leurs formations ?

Des chercheurs japonais se sont penchés sur la question. Ils ont observé le trafic routier sur une autoroute japonaise pendant un mois. Ils ont déduit de cette étude le graphique suivant qui représente le débit autoroutier (nombre de voiture passant par unité de temps) en fonction de la densité de voiture (nombre de voitures présentent par kilomètre d’autoroute).

Ce graphique montre que lorsque la densité de voiture n’est pas trop élevée, le débit lui est proportionnel. En effet, la vitesse des voitures sur une autoroute fluide est sensiblement celle de la limitation de vitesse donc le nombre de voiture défilant par unité de temps est proportionnel au nombre de voiture présente sur cette autoroute. Cependant on remarque que au delà d’une densité critique de 25 véhicules par kilomètre, le débit de voiture s’éffondre. C’est la naissance des embouteillages.

C’est donc la trop grande densité de véhicule qui congestionne le trafic routier. Il est remarquable que la naissance des embouteillages se fasse, sur une autoroute donnée, à partir d’un seuil en densité très bien défini.

Il nous reste cependant à saisir pourquoi une trop grande densité de véhicule crée systématiquement des embouteillages. En effet, dans le cas où aucun obstacle n’entrave la circulation, toutes les voitures pourraient rouler à la même vitesse, formant un seul bloc, et les embouteillages ne pas exister. Qu’est ce qu’il fait que cette solution n’est pas celle observée en pratique ?

Pour répondre à cette question les chercheurs japonais ont réalisé une expérience. Ils ont placé des voitures sur une route circulaire avec une densité légèrement supérieure à celle critique. Initialement les voitures sont à égales distances les unes des autres et on pourrait s’attendre à ce qu’elles circulent indéfiniment sur cette boucle.

Rapidement le système se perturbe et un embouteillage se forme. En regardant attentivement la vidéo on y peut  voir l’origine de ce ralentissement. Un automobiliste prend un peu de distance avec son prédécesseur ou ralentit légèrement, celui qui le suit réagit de même en amplifiant le mouvement et la circulation se bloque.

On comprend donc que ce sont les fluctuations de vitesse des véhicules qui font naître les bouchons. Lorsque la densité de véhicule est faible, ses fluctuations s’atténuent et le trafic reste fluide. En revanche au delà la densité critique, ses fluctuations sont amplifiées par tous les automobilistes et les embouteillages apparaissent.

Sources :

Wikipédia #

Traffic jam without bottleneck #

The physics behind traffic jam #

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Les manchots empereurs

3 07 2011

Le manchot empereur est une espèce qui vit dans un environnement extrêmement froid . La température sur la banquise peut descendre à -40°C et les vents atteindre  140 km/h. Afin de maintenir leur température corporelle à 39°C les manchots se regroupent en banc comme on peut le voir sur la photo suivante.

Photo : © Samuel Blanc \ www.sblanc.com

On remarque que le banc de manchot adopte plutôt une forme de cercle. Cette forme est celle qui laisse le moins de manchot sur les  bords. Ainsi le maximum d’individu est maintenu au chaud au centre du banc.





Ecoulement de fourmis

30 04 2011

Les fourmis de feu utilisent leurs griffes pour s’accrocher aux surfaces mais aussi entre elles. Ces interactions entre individus pemettent aux colonies de fourmis de feu d’exhiber des comportements collectifs. La plupart de ces comportement sont analogues à ceux des fluides comme le montre la vidéo publiée par des chercheurs de l’université de New York (http://arxiv.org/abs/1010.3256)
:

Un fluide est constitué de molécules qui interagissent entre elles. Ces interactions sont moins importantes dans un fluide que dans un solide. Ceci permet aux molécules de ne pas occuper une place fixe au sein d’un liquide. Une analogie entre une assemblée de fourmi de feu et un fluide est donc possible. Chaque fourmi représente une molécule qui interagit avec ses voisines à l’aide de ses griffes, tout en gardant la possibilité de changer de place dans la structure formée. Dès lors, il n’est plus surprenant qu’une colonie de fourmis de feu se comporte comme un fluide.

Dans un fluide, la comparaison entre les forces d’interactions et le poids mène à définir la longueur capillaire. Cette longueur, de l’ordre du millimètre pour la majorité des fluides, dicte l’échelle sur laquelle les effets de la force d’interaction vont être visible. Un ménisque résulte de la compétition de ces deux forces et sa taille est reliée à la longueur capillaire. les chercheurs ont mesuré la force employée par les fourmis pour s’accrocher entre elles. Cette force est égale à 400 fois le poids d’un individu. Ainsi pour une assemblée de fourmi, l’équivalent de la longueur capillaire est de l’ordre du centimètre. Ce calcul semble cohérent avec la taille du « ménisque » formé par les fourmis remontant le long d’une tige verticale que l’on peut voir à la fin de la vidéo.