29 nov. 2012
2 minuten
Natuurkundigen van het Institute of Physics aan de University of Amsterdam hebben een verbinding gelegd tussen het plotselinge ontstaan van files op de snelweg en het vastlopen van zand in een zandloper.
Hoe ontstaan files op de weg? En waarom ontstaan deze zo plotseling en vaak zonder duidelijke reden of blokkade op de weg? Er zijn andere voorbeelden uit het dagelijks leven waarbij verstoppingen ontstaan op dezelfde manier als op de weg: zand dat in een zandloper vastloopt, erwten, knikkers of suiker wat blijft zitten in een potje. De lijst analogieën is lang, en bevat ook materialen die plotseling verstijven bij het inklinken (zoals cement), en vloeistoffen die vast worden bij het afkoelen (zoals glas).
Voor een goed begrip van zulke verschijnselen is een diep begrip van complexe systemen nodig, waarbij het samenspel tussen de vele individuele onderdelen van het systeem belangrijk wordt. In de genoemde voorbeelden zorgen de interacties ervoor dat het hele systeem stilvalt. Hoewel het een algemeen voorkomend verschijnsel blijkt dat grotendeels onafhankelijk is van de details van de interacties, is het niet duidelijk hoe de diverse voorbeelden met elkaar in verband staan of hoe ze zo gevoelig worden dat ze plotseling compleet tot stilstand komen.
Auto’s gedragen zich als moleculen
Wetenschappers in het team van dr. Peter Schall aan het Institute of Physics van de Universiteit van Amsterdam werpen een nieuw licht op dit onderwerp. Aan de hand van computersimulaties van autoverkeer onderzochten zij de doorstroom van verkeer bij toenemende auto-dichtheid, en met een toenemende waarschijnlijkheid dat chauffeurs overreageren door te remmen. Ze vergeleken het gedrag van de auto’s met het gedrag van de moleculen in een vloeistof die afkoelt en stolt tot een vaste stof. Hun resultaten, die ze in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letterspubliceren, zijn verrassend: zodra de doorstroming volledig tot stilstand is gekomen, gedragen de auto’s zich exact zoals de moleculen in een stollende vloeistof. Net vóór de volledige stilstand intreedt organiseert de steeds langzamer wordende beweging zich op een hiërarchische manier: het remmen van een auto beïnvloedt niet alleen de auto er direct achter, maar ook de auto’s daar weer achter – in feite zelfs alle auto’s erachter. Dit effect van remmen of versnellen als gevolg van hetzelfde gedrag van een verre voorganger, wordt wel steeds minder naarmate de oorzaak verder weg is, maar het wordt maar langzaam minder.
De totale respons is daardoor heel groot. Dit verschijnsel lijkt erg op bekende verschijnselen in andere gebieden van de natuurkunde, zoals fase-overgangen tussen gassen vloeistoffen en vaste stoffen.
Omdat er overeenkomsten zijn gevonden tussen dit soort gedrag in systemen die zo verschillend van elkaar zijn als de vorming van glas, en het wegverkeer, ligt het voor de hand dat het ook toepasbaar is in andere complexe verschijnselen zoals stroming van niet mengende vloeistoffen, en transport in de levende cel.
Referentie
A. S. de Wijn, D. M. Miedema, B. Nienhuis, and P. Schall: Criticality in Dynamic Arrest: Correspondence between Glasses and Traffic,Phys. Rev. Lett. 109, 22, 2012 (30 November 2012).