La physique des foules Teach article

Traduit par Benoît Seznec. La foule nous affecte presque tous les jours, de la queue au supermarché aux embouteillages. Timothy Saunders de l’EMBL explique pourquoi ce phénomène intéresse les scientifiques et comment des élèves pourraient y être initiés.

Une foule lors du pèlerinage
de La Mecque

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Ismat; source: Flickr

La physique des foules fait l’objet de recherches actives, de la sécurité publique aux interactions entre les protéines. Les foules se trouvent dans beaucoup d’endroits : des gens entrant dans un stade, les embouteillages, les migrations animales (par exemple les gnous ou les saumons) ou encore l’encombrement moléculaire à l’intérieur des cellules.

Gnous résistant aux courants
et aux crocodiles pour
traverser la rivière Mara au
Kenya

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Les raisons quant à la formation de foules sont aussi nombreuses que les cas. Ces raisons incluent la densité de population, d’animaux ou de molécules ; des rues étroites ; des chantiers routiers ; des accidents ; un manque de visibilité ; une pression sociale (lorsque des personnes doutent, elles suivent les autres ; la fuite face à un danger (des groupes d’animaux évitant des prédateurs) ; des goulots d’étranglement (des gnous traversant les rivières peu profondes pendant leur migration) ; des paniques (tenter de s’échapper d’un incendie) ; ou encore des changements de vitesse brusques (la formation d’embouteillage).

Les foules constituent un vrai problème pour lequel les applications de la physique peuvent aider. Les foules possèdent des dynamiques intrigantes : le comportement d’un individu dans une foule ainsi que celui de) la foule entière doivent être considérés – et ces paramètres peuvent changer rapidement ou devenir instables. Le comportement d’une foule peut même être contre-intuitif. Dans les embouteillages, par exemple, un véhicule situé à l’avant du trafic à tendance à reculer avec le temps, par rapport au flux de circulation du fait que la circulation s’étend à travers un flot de véhiculesw1.

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Pour plus de détails sur le phénomène physique des foules, voir les informations postées en lignew2.

Enseigner la formation des foules

Cette leçon introduit à des élèves de 14 ans et plus quelques uns des principes sous jacents des foules. Elle met avant tout l’accent sur le besoin d’utiliser plusieurs domaines de la physique en parallèle afin de maîtriser un phénomène aussi complexe. Cette leçon peut être utilisée pour enseigner les phases du problème (les foules peuvent être solides ou fluides), les propriétés des fluides, les forces et interactions ainsi que les dynamiques. Un plan de cours est disponible en lignew2.

Introduction

Une foule lors du pèlerinage
de La Mecque. Cliquer sur
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Nabulsi
  1. Présentez le sujetw2 et rappelez aux élèves que les foules ne concernent pas que les êtres humains.
  2. Par groupes de 2-5, les élèves doivent trouver des exemples de cas de formation de foules et les raisons de ces phénomènes.
  3. Organisez une discussion au sein de la classe pour récolter les résultats et réduisez les raisons de formation de foule à des concepts plus généraux tels ceux mentionnés ci-dessus (par exemple des espaces réduits ou des paniques).
  4. Présentez le phénomène physique des foulesw2. Vous pouvez utiliser des supports vidéosw3, w4 pour illustrer clairement ces points et vous référer à la liste d’exemples collectés par la classe pour animer la discussion. La classe doit déduire des analogies entre les interactions dans les foules et d’autres concepts physiques (tels que les électrons – la répulsion d’électrons, choc/ondes progressives et écoulement des fluides).
Une foule à l’entrée d’une
station de métro à Londres.
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Les expériences suivantes permettent de construire un raisonnement intuitif sur les différents facteurs affectant les foules. Elles requièrent un comportement sensé de la part des élèves. Insistez sur le fait que les élèves doivent éviter tout contact physique pendant les expériences et que ces expériences doivent être menées à une allure normale.

Expérience 1 : Quitter la pièce

Cette expérience montre à quel point un accès limité peut provoquer une création de foule (cela est particulièrement important lorsque l’on met en place des sorties de secours) et prouve que l’effet de foule peut être soulagé en forçant la foule à entrer dans des courants.

  1. Prenez une classe d’environ 20-25 élèves, préparez un espace dans la classe situé devant une porte : il doit être 3-4 mètres devant la porte et doit faire 3 mètres de large (figure 1A). Ajustez sa dimension selon la taille de la classe et le nombre d’élèves (chaque élève doit bénéficier d’un espace d’environ 0,5 m2).
Figure 1: Expérience 1. (A) Le point rouge représente l’étudiant enregistrant les temps ; les cercles noirs illustrent les élèves restant à l’intérieur. (B) Les élèves quittent la pièce en même temps ; le chronométreur enregistre le temps d’évacuation. (C) Répétition de (B), mais avec un tabouret situé à 1 mètre de la porte. (D) Le tabouret crée deux flux de personnes, diminuant le temps d’évacuation. (E) Répétition de (B) avec une configuration initiale différente. Cliquer sur l’image pour l’agrandir
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Figure 2: Exemple de
répartition des temps
mesurés. Cliquer sur l’image
pour l’agrandir

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l’aimable autorisation de
Timothy Saunders
  1. Un élève doit se positionner à l’extérieur de la classe avec un chronomètre. Les autres se mettent en rang à l’intérieur de l’espace.
  2. Une fois prêts, tous les étudiants doivent évacuer la salle en même temps.
  3. L’élève resté à l’extérieur démarre le chronomètre lorsque le premier élève sort et l’arrête lorsque le dernier a évacué la pièce (figure 1B).
  4. Répétez l’expérience encore deux fois et effectuez une moyenne des trois temps.
  5. Ensuite, placez un tabouret à 1 mètre de la porte, toujours dans l’espace dégagé (figure 1C). Les élèves doivent de nouveau évacuer de la pièce, et ce sans toucher le tabouret (figure 1D). Effectuez l’expérience trois fois également et enregistrez le temps moyen.
  6. La configuration initiale des étudiants joue un rôle dans le temps d’évacuation. Demandez aux élèves de discuter des différentes configurations initiales possibles et comment celles-ci peuvent refléter des situations réelles (telles qu’une évacuation lors d’un incendie). La classe doit choisir une configuration initiale (celle de la figure 1E par exemple) et répéter l’expérience ci-dessus.
  7. Reportez les temps moyens enregistrés (figure 2) et discutez des raisons des différences entre ces temps.
Figure 3: Comparaison
qualitative des temps
d’évacuation selon une
évacuation en courant ou en
marchant. Les temps moyens
sont similaires, mais les
temps individuels
d’évacuation peuvent différer
grandement lorsque courir
est autorisé, scénario devant
être évité pour la conception
d’issues de secours. Cliquer
sur l’image pour l’agrandir

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Timothy Saunders

Le temps d’évacuation, lorsque le tabouret est présent, devrait être le plus court. Ce tabouret sépare le flux de personnes en deux flux distincts, ce qui réduit les chances pour deux personnes de se trouver proches l’une de l’autre et ainsi diminue les risques d’obstruction. Cette expérience est un exemple de physique contre-intuitive – un objet placé sur le chemin augmente la vitesse d’évacuation. Les simulations des scénarios ci-dessus et les discussions sous-jacentes sont disponibles en lignew3, w5.

En quoi ces résultats influent-ils sur la conception des sorties de secours et des consignes de sécurité incendie ? Des obstacles doivent-ils être placés devant une sortie de secours ? Cela ne serait pas toujours approprié. Que se passerait-il si courir était autorisé ? Bien que cela diminuerait le temps d’évacuation, le risque d’accident se verrait augmenté – et une personne blessée devant une porte rendrait l’évacuation plus difficile pour les autres (figure 3).

Expérience 2 : Marcher dans des endroits étroits

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Cette expérience révèle comment des contraintes dans l’espace peuvent altérer le flux de personnes ou créer des embouteillages. Cela est particulièrement vrai dans des endroits où des personnes sont densément regroupées, tel que des pèlerins se dirigeant vers la Mecque (pèlerinage appelé Hajj)w2 ou lors d’encombrements moléculaires (les grandes protéines dans le cytoplasme de cellules ont un taux de replis supérieur lorsqu’elles sont compactes, pour gagner le plus d’espace possible ; voir McGuffee & Elcock, 2010). Bien que l’expérience soit une simplification considérable d’un tel système, elle met en lumière comment la foule peut altérer le comportement collectif.

  1. Prenez une classe d’environ 20-25 élèves, délimitez un couloir libre de 5×3 mètres, par exemple en utilisant des règles de 1 mètre sur le sol (figure 4A).Faites en sorte que chaque personne bénéficie d’un espace de 0,5 m2 (voir étape 2).
  2. Cinq élèves sont chronométreurs (points rouges, figure 4A), positionnés le long d’une section de 1×3 mètre dans le couloir (de la craie peut être utilisée pour démarquer le couloir en plusieurs parties, par souci de clarté) avec un chronomètre fixé à zéro. Les élèves restant sont des marcheurs (symboles Homme/Femme), dont l’un est une cible (symbole vert). Les marcheurs se positionnent au hasard au sein de l’espace délimité par les règles, en faisant face à un bout du couloir (choisi au hasard).
  3. Ensuite les marcheurs se dirigent vers le bout du couloir. Une fois là, ils se retournent et marchent jusqu’à l’autre bout du couloir en évitant les autres marcheurs.
Figure 4 : Expérience 2. (A) Les points rouges sont les chronométreurs, le point vert la cible et les cercles noirs les marcheurs. (B) Au bout de 30 secondes de mélange, le chronométreur dont la zone contient la cible démarre son chrono (zone jaune). Lorsque la cible quitte la zone jaune pour la bleue, le chronométreur de la zone jaune arrête son chrono et celui de la zone bleue le démarre. (C) Répétez l’expérience avec des couloirs plus étroits jusqu’à ce qu’ils fassent une largeur de 1 mètre
Image reproduite avec l’aimable autorisation de Timothy Saunders

 

  1. Au bout de 30 secondes (pour avoir un bon mélange), le chronométreur dont la zone contient la cible démarre son chronomètre. Lorsque la cible quitte la zone, il/elle arête son chronomètre (mais ne le remet pas à zéro!) et le chronométreur voisin, lorsque la cible entre dans sa zone, active son chronomètre (figure 4B). Faites durer l’expérience pendant 2 minutes et enregistrer ensuite le temps cumulé de chaque chronométreur.
  2. Ensuite, réduisez la largeur du couloir de 1 mètre et répétez l’expérience. Continuez jusqu’à ce que le couloir fasse 1 mètre de largeur (figure 4C).
  3. Reportez les temps enregistrés par chacun des chronométreurs selon les différentes largeurs du couloir (figure 5).
Figure 5: Exemple de
répartition des temps
mesurés par les
chronométreurs. Cliquer sur
l’image pour l’agrandir

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l’aimable autorisation de
Timothy Saunders

 

À faible densité (c’est à dire un couloir large), la cible passe grosso modo le même temps dans chacune des cinq zones (bien qu’au bout du couloir, s’arrêter et se retourner prend un certain temps). Au fur et à mesure que la foule se densifie, un embouteillage a de fortes chances de se former au centre parce que le centre représente la zone où la rapidité est (initialement) la plus grande et un couloir plus étroit rend l’évitement des autres plus compliqué – donc il est probable que les élèves devront s’arrêter pour éviter une collision, par conséquent causer une obstruction. Ainsi, pour des couloirs plus petits, la cible passe plus de temps dans les zones centrales.

Cette expérience montre comment le comportement change lorsque l’on passe d’un système libre à un système confiné. Le principe est le même pour les embouteillages, lorsque le nombre de voies est réduit (bien qu’évidemment les voitures ne roulent pas en sens inverse sur une même voie !). Les élèves peuvent remarquer que les formes de flux sont semblables à celles de piétons dans une grande ruew5. Ce phénomène se produit parce qu’il est plus simple de suivre le chemin d’une autre personne plutôt que de se former une nouvelle route à travers la foule.

Conclusion

Résumez les principaux résultats :

  • Les foules sont des entités dynamiques, bien décrites par les concepts de la physique.
  • Le flot peut soulager la pression de la foule. En particulier, le flot artificiel (en utilisant des obstacles) peut diminuer le temps d’évacuation de zones bondées.
  • Une rapidité initiale peut déboucher sur la création d’une foule – être rapide ne paie pas toujours. Cela est vrai dans des régions bondées, telles que des zones de chantiers routiers ou des cytoplasmes de cellules.
  • Par l’utilisation des idées précédentes, les physiciens ont été capables de prendre part à la résolution de bon nombre de problèmes à l’échelon mondial. Par exemple, le pèlerinage de la Mecque s’est doté de nouveaux systèmes d’organisation pour soulager la pression de la foule et ainsi tenter d’éviter des problèmes de mouvements de foulesw2.
  • De telles solutions requièrent la combinaison de différents domaines de la physique (tels que la mécanique des fluides, les interactions des particules, les fluctuations et le rôle des frontières) et de la pensée non-intuitive.

Élargissement facultatif

Vous pouvez demander aux élèves d’écrire un essai au sujet d’une forme particulière de foule, comment la physique peut observer ce phénomène de foule, et (si approprié) trouver des solutions pour désengorger les foules. Vous pouvez prendre l’exemple du pèlerinage de la Mecque ; la conception de sorties de secours ; la construction d’autoroutes ; un plan d’urbanisme ; une migration animale ; la diffusion des molécules dans les cellules ; ou encore la concentration macromoléculaire dans des solutions chimiques.

Pour les étudiants doués en mathématiques, le modèle du conducteur intelligent constitue un bon exemple de modélisation de foulesw6.

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References

  • McGuffee SR, Elcock AH (2010) Diffusion, crowding & protein stability in a dynamic molecular model of the bacterial cytoplasm. PLoS Computational Biology 6(3): e1000694. doi: 10.1371/journal.pcbi.1000694

Web References

  • w1 – Une équipe de scientifiques américains a mis en place un site internet informatif pour présenter leurs données de simulation sur la formation d’embouteillages routiers. Ce site fournit une bonne explication de leurs recherches et de leurs résultats, ainsi que des vidéos montrant comment les embouteillages se forment. Voir : http://math.mit.edu/projects/traffic
  • w2 – Télécharger des informations générales sur la physique des foules, incluant des liens vers des outils en ligne, comme des documents aux formats Word ou PDF.
    • Le plan de cette expérience est disponible au format Word ou PDF.

  • w3 – À la suite de plusieurs situations de panique menant à des résultats sérieux, des scientifiques en provenance d’Allemagne et d’Arabie Saoudite ont enquêté sur le phénomène de foule lors du pèlerinage à la Mecque, ce qui a permis de revoir l’organisation de l’événement. Leur site internet contient des informations générales et des vidéos courtes de leurs analyses, ainsi qu’une liste de liens vers d’autres études et des études de simulations. Voir : www.trafficforum.ethz.ch/crowdturbulence
    • Un des scientifiques, Dirk Helbing, travaille depuis à l’École polytechnique fédérale (ETH) de Zürich (Suisse). La page d’accueil de son site fournit un grand nombre de vidéos, de liens, ainsi que des simulations de foules et d’autres comportements sociaux de masse tels que les applaudissements synchronisés. Voir : www.soms.ethz.ch/research/Videos

  • w4 – Une équipe de scientifiques allemands et hongrois a simulé des situations de panique dans un modèle informatique. Leur site internet comprend leurs articles publiés dans Nature en anglais et hongrois, des vidéos simulant leurs scénarios d’évacuation avec ou sans effets de masse ou de panique, une liste de catastrophes majeures et des informations générales. Voir : www.panics.org
  • w5 – Pour une simulation de la formation des voies uniformes de marcheurs dans la rue, voir : www.trafficforum.org/somsstuff/pedapplets/Corridor.html
  • w6 – Pour plus d’informations sur le modèle du conducteur intelligent, voir : www.vwi.tu-dresden.de/~treiber/MicroApplet/IDM.html

 

Author(s)

Timothy Saunders est chercheur post-doctorant au European Molecular Biology Laboratory à Heidelberg en Allemagne. Son travail implique l’application de concepts de la physique à des problèmes biologiques. Au cours des six dernières années, il a enseigné les mathématiques, la physique et la biologie à des élèves aux niveaux et aux âges différents. Cet article est né d’une série de leçons données à des apprenants adultes repassant leurs examens de biologie.


Review

Les études sur les mouvements fluides et des mouvements moléculaires à l’intérieur des cellules sont présentées sous un angle complétement nouveau. Le concept de foule s’étend à différentes situations, à la fois à un niveau macro, tel que la foule humaine, et au niveau micro, lorsque l’on parle de molécules.

Les expériences, lesquelles peuvent être menées en utilisant un équipement sommaire, sont soutenues par des illustrations et des sites internet apportant des informations historiques, des photos et des simulations au sujet des foules, rendant simples leurs reproductions. Le plan de cours suit une approche ascendante, en prenant tout d’abord en compte les expériences des élèves et ensuite en tirer les enseignements pour évoluer vers une analyse de plus en plus détaillée. Si le bruit peut déranger les autres classes, les expériences pourraient être menées dans la cours ou dans la salle de sport.

Les expériences sur les foules sont pertinentes en biologie lorsque l’on parle de flots moléculaires et d’interactions entre les protéines. En physique, elles sont applicables aux mouvements de fluides, aux changements rapides de la circulation, et à la sécurité publique lors de la conception d’espaces ouverts tels que des stades ou des centres commerciaux. Bien qu’elle reste un concept principalement scientifique, la foule pourrait aussi être utilisée dans des études scientifiques ou environnementales pour réfléchir à la densité de population, à la pression sociale et aux migrations animales.

L’article et ses expériences peuvent alors être suivies par un individu ou un groupe d’individus. On peut demander à des élèves de concevoir un stade public, une zone communale ou même une zone de récréation pour leur propre école, en justifiant leur organisation quant à la sécurité publique.

Ces expériences, abordées à différents niveaux, seraient convenables pour des élèves âgés de 13 ans et plus. Les élèves doués en mathématiques (âgés de 17 ans et plus) pourraient utiliser l’expérience pour démarrer des processus physiques de modélisation.


Catherine Cutajar, Malte




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