Un modèle pour décrire l'hydrodynamique des foules
Publié par Redbran le 07/01/2019 à 14:00
Source: CNRS-INP
En étudiant les déplacements de coureurs au départ de marathons, des chercheurs d'un laboratoire rattaché au CNRS, à l'ENS de Lyon et à l'Université Claude Bernard Lyon 1 viennent de montrer que les mouvements collectifs de ces foules peuvent être décrits comme des écoulements liquides. Leurs résultats, publiés dans Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que...) le 4 janvier 2019, leur permettent de prédire comment les fluctuations de vitesse (On distingue :) et de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) se transmettent au travers des foules massives. Ainsi, les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines suivants :) observés avant une course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) à Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à 1 280 kilomètres à l'ouest de New York et à plus de 3 200 kilomètres au...) en 2016 ont permis de prédire celui de milliers de coureurs face au départ du marathon de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...) en 2017.


Image A: Image de la zone de départ de l'édition 2016 du Bank of America Marathon de la ville de Chicago. Image B: Zooms sur la zone encadrée dans A, montrant la séquence de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le...) des organisateurs de la course (chasubles jaunes) qui guident les coureurs vers la zone induisant des perturbations de vitesse et de densité dans la foule qui se propagent à vitesse constante. Image C: Ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de vitesse et de densité qui se propagent dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même...) de la marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les jambes, en...) dans la même foule. © Nicolas Bain/Science

Pour la production de séquences numériques ou la conception de grandes structures accueillant du public, il peut être nécessaire de simuler précisément les mouvements et le comportement d'une foule. Mais prédire quantitativement la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) collective d'un groupe en réponse à des stimulations externes reste encore un problème largement ouvert, basé principalement sur des modèles où les actions de chaque individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux sont soutenus par la fondation Wikimedia).) sont simulées selon des règles comportementales empiriques. Il n'existait jusqu'à maintenant aucun modèle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) testé expérimentalement qui décrive l'hydrodynamique d'une foule sans présupposer de règles comportementales.

De récents travaux de chercheurs d'un laboratoire(1) rattaché au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), à l'ENS de Lyon et à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un...) Lyon 1 présentent une première équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des...) de ce genre, déduite d'une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La...) de mesures conduite sur des foules rassemblant plusieurs dizaines de milliers d'individus. Les physiciens se sont intéressés aux cohortes de coureurs au début d'un marathon, lorsqu'ils sont guidés jusqu'à la ligne de départ. Un cordon d'organisateurs guide les coureurs par des séquences successives de marche et d'arrêt. Ce protocole fournit une perturbation périodique et contrôlée analogue aux stimulations typiquement utilisées pour sonder la réponse mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci...).

De façon tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait remarquable, le comportement des groupes varie très peu d'une assemblée de coureurs à une autre, d'une course à une autre, mais aussi d'un pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus souvent...) à un autre, avec une information sur la vitesse se propageant constamment à un peu plus d'1 m/s. Les chercheurs ont pu établir une description générique des écoulements de ces foules, capable de prédire exactement d'autres écoulements: ainsi, les flux observés avant une course à Chicago en 2016 ont permis de prédire celui de milliers de coureurs au départ du marathon de Paris en 2017.

En analysant les images prises avant le départ de cinq courses par des techniques standards en mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) des fluides, les chercheurs ont mesuré à chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) la vitesse de la foule, décrite comme un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) en écoulement. Leurs résultats montrent que l'information sur la vitesse à suivre se propage sous forme d'ondes sur plusieurs centaines de mètres vers l'arrière du groupe, sans perte d'intensité. À l'opposé, toute modification de la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) du mouvement de la foule se dissipe rapidement en ne se diffusant que sur quelques mètres à peine dans la foule. En résumé: l'information sur la vitesse de déplacement se propage sans difficulté dans ce fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...), au contraire de l'information sur l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;).

Les physiciens veulent maintenant étudier la réponse de groupes d'individus à des perturbations extrêmes afin de tester les limites de leur description hydrodynamique des foules.

Note
(1) Laboratoire de physique de l'ENS de Lyon (ENS de Lyon/CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1)


Référence publication:
Dynamic response and hydrodynamics of polarized crowds
Nicolas Bain et Denis Bartolo
Science, le 4 janvier 2019. DOI: 10.1126/science.aat9891

Contacts chercheurs:
- Nicolas Bain, post-doctorant ENS de Lyon
- Denis Bartolo, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant...) ENS de Lyon

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique de l'ENS de Lyon, (ENS de Lyon/CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1)
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