Die Physik der (Menschen-) Massen Teach article

Übersetzt von Yvonne Beck. Von Schlangen im Supermarkt bis hin zu Verkehrsstaus: Fast täglich treffen wir auf das Phänomen, dass sich dichte Ansammlungen oder Massen [von Menschen, Tieren oder anderen Objekten] bilden. Timothy Saunders vom EMBL erklärt, warum sich Wissenschaftler für solche…

In vielen Bereichen wird an der Physik der (Menschen-) Massen aktiv geforscht: im Bereich der öffentlichen Sicherheit genauso wie bei Wechselwirkungen zwischen Proteinen. Ansammlung von Massen treten an vielen Orten auf: Menschen, die ins Stadion gehen, Verkehrsstaus, Wanderungen von Tieren (zum Beispiel Gnus oder Lachse); aber auch auf molekularer Ebene innerhalb von Zellen sammeln sich Massen an.

Die Gründe für diese Massenbildung sind so vielfältig wie ihr Vorkommen. Sie beinhalten die Dichte der Menschen, Tiere oder Moleküle, aber auch schmale Straßen, Straßenarbeiten, Unfälle, schlechte Sichtverhältnisse, sowie sozialen Druck. (Wenn Menschen unsicher sind, neigen sie dazu, anderen zu folgen). Auch die Vermeidung von Gefahren (Herden von Tieren vermeiden Räuber), eine begrenzte Anzahl an Ausgängen (Gnus, die während der Wanderung Flachwasserzonen durchqueren), Panik (Flucht vor Bränden), sowie hohe Geschwindigkeit (Entstehung von Staus) können Massenbildung auslösen.

Massen sind ein echtes Problem, für das die Anwendung der Physik hilfreich sein kann. Sie weisen eine verblüffende Dynamik auf: sowohl das Verhalten der Individuen in der Massen, als auch die Menge als Ganzes müssen berücksichtigt werden – und letztere kann sich schnell verändern oder instabil werden. Massenbildung kann sogar der eigenen Intuition widersprechen. In einem Verkehrsstau zum Beispiel bewegt sich das Fahrzeug an der Spitze des Staus im Laufe der Zeit oft weiter nach hinten – also dem Verkehrsstrom entgegen – da sich der Stau durch den Autostrom hindurch ausbreitet^w1.

Mehr Details zu den physikalischen Phänomenen in Massen finden sich in der Zusatzinformation im Internet^w2.

Unterrichten, wie Massen gebildet werden

Die vorgeschlagene Unterrichtsstunde bringt Schülerinnen und Schülern ab 14 Jahren einige der grundlegenden Prinzipien von Massen und Massenbildung näher. Insbesondere hebt sie hervor, dass verschiedene Bereiche der Physik gemeinsam betrachtet werden müssen um solch komplexen Phänomenen auf die Spur zu kommen. Die Unterrichtseinheit kann im Zusammenhang mit Aggregatzuständen eingesetzt werden (da Massen sowohl fest als auch flüssig sein können), oder um Eigenschaften von Flüssigkeiten, Kräfte und Wechselwirkungen, sowie Dynamik zu thematisieren. Ein Stundenverlaufsplan ist online abrufbar^w2.

Einleitung

1. Führen Sie das Thema ein^w2 und erinnern Sie die Klasse daran, dass Massen nicht notwendigerweise aus Menschen bestehen müssen.
2. In Gruppen aus 2-5 Personen sollen Schülerinnen und Schüler Beispiele für die Massenbildung suchen.
3. Leiten Sie eine Klassendiskussion, um die Ergebnisse zu sammeln und reduzieren Sie die Gründe für Massenbildung auf allgemeinere Konzepte, ähnlich den oben genannten (z. B. Raummangel und Panik).
4. Führen Sie physikalische Phänomene ein, die in Massen auftreten^w2. Um diese Punkte klar zu zeigen, können Videos verwendet werden^w3, ^w4; zur Motivation der Diskussion kann auf die Beispielliste, die von der Klasse erstellt wurde, zurückgegriffen werden. Die Klasse sollte Ähnlichkeiten zwischen Wechselwirkungen in Massen und anderen physikalischen Konzepten entdecken (z. B. Abstoßung zwischen Elektronen, Stoß, Wellenbewegung, Flüssigkeitsstrom).

Die folgenden Versuche entwickeln ein intuitives Verständnis dafür, wie vielfältig die Faktoren sind, die Massen beeinflussen. Sie setzen voraus, dass die Schülerinnen und Schüler sich vernünftig verhalten und Gefahren vermeiden. Stellen Sie klar, dass Schüler sich während der Versuche nicht gegenseitig anrempeln und dass die Versuche in Schrittgeschwindigkeit durchgeführt werden.

Versuch 1: Den Raum evakuieren

Dieser Versuch untersucht, wie unzureichende Ausgänge zu Massenbildung führen können. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Konzeption von Rettungswegen und zeigt, dass Massenbildung verringert werden kann, wenn die Masse in Ströme aufgeteilt wird.

1. Für eine Klasse mit 20-25 Schülern wird vor einer Tür im Klassenraum ein Freiraum geschaffen: etwa 3-4 Meter in der Länge und 3 Meter in der Breite (Abbildung 1A). Die Größe sollte je nach Raum und Schülerzahl angepasst werden (etwa 0.5 m² pro Schüler).

2. Ein Schüler oder eine Schülerin steht mit einer Stoppuhr vor der Tür. Der Rest reiht sich im Klassezimmer um den Freiraum herum auf.
3. Sobald alle fertig sind, beginnen die Schülerinnen und Schüler gleichzeitig den Raum zu verlassen.
4. Der Schüler oder die Schülerin draußen startet die Stoppuhr, wenn die erste Person den Raum verlässt und hält die Stoppuhr an, wenn die letzte Person den Raum verlassen hat (Abbildung 1B).
5. Der Versuch wird noch zwei Mal wiederholt und die Durchschnittszeit über diese drei Versuche ermittelt.
6. Als nächstes wird einen Meter vor der Tür entfernt ein Stuhl in die Freifläche gestellt (Abbildung 1C): Wieder verlassen die Schüler den Raum, ohne den Stuhl zu berühren (Abbildung 1D). Die Durchschnittszeit über drei Durchgänge wird notiert.
7. Die Ausgangspositionen der Schüler beeinflussen die Zeit, die zum Evakuieren des Raums benötigt wird. Die Schüler sollen verschiedene Ausgangszustände diskutieren und überlegen, wie sie realistischere Situationen darstellen können (z. B. bei Menschen vor einem Notausgang). Die Klasse soll eine neue Ausgangsposition wählen (z. B. wie in Abbildung 1E) und den obigen Versuch wiederholen.
8. Die aufgenommenen Durchschnittszeiten werden graphisch dargestellt (Abbildung 2) und die Gründe für die Unterschiede in der Evakuierungszeit im Klassenrahmen diskutiert werden.

Die Evakuierungszeit sollte am kürzesten sein, wenn der Stuhl aufgestellt ist. Er bricht die Menschenmenge in zwei separate Ströme, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sich zwei Menschen in den Weg kommen und somit eine Blockade unwahrscheinlicher wird. Dies ist ein Beispiel für kontraintuitive Physik – ein Objekt, das im Weg steht, erhöht die Geschwindigkeit, mit der der Raum verlassen werden kann. Simulationen obiger Szenarien und eine Diskussion der zugrundeliegenden Physik sind online verfügbar^w3, ^w5.

Was bedeuten diese Ergebnisse für die Konstruktion von Notausgängen und Feuer-Sicherheitsregeln? Sollten Hindernisse vor den Notausgängen platziert werden? Dies wird nicht immer praktikabel sein. Was würde passieren, wenn rennen erlaubt wäre? Obwohl dies die Zeit zum Verlassen des Raumes verringern könnte, erhöht es auch die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls – und eine verletzte Person vor einer Tür würde anderen den Fluchtweg versperren (Abbildung 3).

Versuch 2: Gehen auf engem Raum

Dieser Versuch stellt dar, wie räumliche Einschränkungen einen Menschenstrom beeinflussen oder zu Verkehrsstaus führen können. Dies ist besonders dort relevant, wo dicht gepackte Massen auftreten, zum Beispiel bei Pilgern nach Mekka (auf der Hadsch)^w2 oder bei der Bildung von Massen auf molekularem Niveau (große Proteine im Zellplasma haben eine höhere Faltungsrate, wenn sie dichter gepackt sind, um so viel Platz wie möglich zu sparen; siehe McGuffee & Elcock, 2010). Obwohl der Versuch ein solches System stark vereinfacht, hebt es hervor, wie Massenbildung kollektives Verhalten verändern kann.

1. Für eine Klasse mit etwa 25 Schülern wird eine 5 x 3 Meter große leere Korridorfläche abgesperrt, z. B. durch Meterstäbe auf dem Boden (Abbildung 4A). Pro Person sollen etwa 0.5 m² zur Verfügung stehen (vgl. Schritt 2).
2. Fünf Schüler sind Zeitnehmer (rote Punkte, Abbildung 4A), jeder wird entlang eines 1 x 3 Meter langen Abschnitts des Korridors aufgestellt (für klarere Darstellung dieser Segmente kann Kreide verwendet werden). Die Stoppuhren werden auf null gesetzt. Die übrigen Schüler sind die Fußgänger (Mars und Venus Symbole), von denen einer die Zielperson ist (grün ausgefülltes Symbol). Die Fußgänger stellen sich am Anfang zufällig in das durch Meterstäbe abgesteckte Feld, und schauen in Richtung eines Korridorendes (das zufällig gewählt wird).
3. Jeder Fußgänger bewegt sich dann in Richtung dieser Seite. Sobald er dort angekommen ist, dreht er sich um und geht zum anderen Ende des Korridors, wobei andere Fußgänger gemieden werden.

4. Um ein gutes Durchmischen sicherzustellen, startet nach 30 Sekunden der Zeitnehmer, in dessen Feld die Zielperson steht, die Stoppuhr. Wenn die Zielperson den Abschnitt verlässt, hält der Zeitmesser seine Stoppuhr an (ohne sie zu auf zurückzusetzen) und der Zeitnehmer nebenan, in dessen Feld die Zielperson gerade eingetreten ist, beginnt zu stoppen (Abbildung 4B). Dies wird zwei Minuten lang durchgeführt und die Gesamtzeit jedes Zeitnehmers berechnet.
5. Als nächstes wird die Breite des Korridors um einen Meter verringert und der Versuch wiederholt. Dies wird so fortgeführt, bis der Korridor nur noch einen Meter breit ist (Abbildung 4C).
6. Die gemessenen Zeiten aller Zeitnehmer werden für die einzelnen Korridorbreiten aufgezeichnet (Abbildung 5).

Bei geringen Dichten (d.h. breitem Korridor), verbringt die Zielperson in allen fünf Feldern etwa gleich viel Zeit (an den Enden jedoch etwas länger, da Anhalten und Umdrehen Zeit braucht). Wenn die Menge dichter wird, ist es wahrscheinlich, dass sich ein Stau in der Mitte bildet, denn dort sind die Geschwindigkeiten (zunächst) am größten, und der schmalere Korridor erschwert das Ausweichen – so dass es wahrscheinlicher ist, dass dort angehalten wird, um eine Kollision zu vermeiden – was dann zu Behinderungen führt. Daher verbringt die Zielperson in schmaleren Korridoren die meiste Zeit in den inneren Feldern.

Dies ist ein Beispiel dafür, wie sich das Verhalten von einem freien zu einem eingeschränkten System hin ändern kann. Das Prinzip ähnelt dem, das der Bildung von Verkehrsstaus zugrunde liegt, wenn die Anzahl der Spuren begrenzt ist (obwohl offensichtlich die Autos auf derselben Spur nicht in entgegengesetzten Richtungen fahren). Die Schülerinnen und Schüler können auch beobachten, dass sich Ströme bilden – ähnlich wie Fußgängerströme auf der Haupteinkaufsstraße^w5. Dies liegt daran, dass es effektiver ist, dem Weg eines anderen zu folgen, statt sich einen neuen Weg durch die Masse zu bahnen.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassung der Hauptergebnisse:

• (Menschen-)Massen sind dynamische Einheiten, die sich gut durch physikalische Konzepte beschreiben lassen.
• Aufteilung in Ströme kann den Druck auf Massen verringern. Insbesondere kann eine künstlich hergestellte Aufteilung in Ströme (mit Hilfe von Hindernissen) die Zeit verringern, die benötigt wird, um dicht gedrängte Gebiete zu verlassen.
• Hohe Anfangsgeschwindigkeiten können Massenbildung verursachen – es zahlt sich nicht immer aus, schnell zu sein. Dies ist von Bedeutung in Gebieten, die räumlich begrenzt sind, wie etwa Straßenabschnitte mit Baustellen oder das Cytoplasma einer Zelle.
• Mit den obigen Ideen waren Physiker in der Lage, Hilfestellungen bei einer Reihe von Alltagsproblemen zu geben. Zum Beispiel hat die jährliche Hadsch ein neues System, durch dass die Menge aufgelockert wird, um weitere Probleme^w2 durch Massenbildung zu vermeiden.
• Solche Lösungen erfordern die Kombination verschiedener physikalischer Disziplinen (z. B. Flüssigkeitsmechanik, Wechselwirkungen von Teilchen und die Rolle von Grenzbedingungen), aber auch konterintuitives Denken.

Optionale Erweiterung

Sie könnten Ihre Schülerinnen und Schüler eine Ausarbeitung über eine bestimmte Art der Massenbildung schreiben lassen, darüber, wie die Physik die beobachtetet Massenbildung erklären kann, und (wenn dies angemessen ist), darüber, was getan werden kann, um die Massen aufzulösen. Mögliche Beispiele sind die Pilgerfahrt Hadsch, die Konstruktion von Notausgängen, der Bau von Autobahnen, Städteplanung, Wanderung von Tieren, Diffusion von Molekülen in der Zelle oder die Ansammlung von Makromolekülen in einer Lösung.

Für mathematisch fortgeschrittenen Schülerinnen und Schüler, ist das Modell des intelligenten Fahrers ein gutes Beispiel dafür, wie Massen modelliert werden können^w6.