Kalabalıklar Fiziği Teach article

Tercüme eden: Mehmet Soybilge. Kalabalıklar süpermarket kuyruklarından trafik sıkışıklığına kadar, hemen her gün bizi etkiliyor. Avrupa Moleküler Biyoloji Labaratuarı (EMBL) çalışanlarından Timothy Saunders bunun bilim adamlarına neden ilginç geldiğini ve bu olgunun…

Kalabalıklar fiziği, toplum güvenliğinden protein etkileşimlerine kadar bir çok sahada aktif bir araştırma alanıdır. Bir çok yerde kalabalık oluşur; stadyuma giren insanlar, trafik sıkışıklıkları, hayvan göçleri (örn. Antiloplar veya somon balıkları) ve hücrelerin içindeki moleküler birikmeler.

Kalabalığın sebepleri, oluşumları bakımından çok yönlüdür ve insanların, hayvanların veya moleküllerin yoğunluğu; dar sokaklar; yol çalışmaları; kazalar; görüş eksikliği; sosyal baskı (insanlar emin olmadıkları bir konuda diğerlerini takip ederler); tehlikeden sakınma (yırtıcılardan korunan hayvan grupları); sınırlı çıkış noktaları (göç zamanı sığ nehirleri geçen antiloplar); panik (yangından kaçış) ve ani hız değişimleri (trafik sıkışıklığı teşekkülü) unsurlarını kapsar.

Fizik uygulanmalarının yardımcı olabileceği noktalar için kalabalıklar gerçek bir sorundur. Kalabalıklar merak uyandıran dinamiklere sahiptir: kalabalık üyelerinin bireysel davranışları ve kalabalığın tamamının davranışlarının her ikisi de hesaba katılmalıdır – ve bu çok hızlı değişebilir veya değişken olabilir. Kalabalığın davranışı sezgilere aykırı / beklenilenin dışında da olabilir. Örneğin, bir trafik sıkışıklığında, tıkanıklığın önündeki araç, trafik akışının tersine zaman içinde sık sık ileri geri hareket eder^w1.

Kalabalıklardaki fiziksel olgular hakkında daha detaylı bilgi edinmek için, ilave çevrimiçi bilgilere bakınız^w2.

Kalabalık Oluşumunun Öğretimi

Önerilen ders 14 yaş ve üzeri öğrencileri kalabalıklar ve kalabalıklaşmanın altında yatan bazı ilkelerle tanıştırıyor. Özellikle de, karmaşık olguların ele alınmasında ve çözümünde birden çok fizik alanının birarada kullanılmasına dair ihtiyacı vurguluyor. Ders maddenin hallerini (çünkü kalabalıklar, sıvılar ve katılar, her iki halde olabilir), akışkanların özelliklerini, kuvvetleri ve etkileşimleri ve dinamiği öğretmek için de kullanılabilir. Ders planı çevrimiçi ortamda mevcuttur^w2.

Giriş

1. Başlığı tanıtın^w2 ve sınıfa kalabalıkların insanlardan oluşması gerekmediğini hatırlatın.
2. 2 – 5 kişilik gruplar şeklinde öğrenciler kalabalıklar ve kalabalık oluşum nedenlerine dair örnekler toplamalılar.
3. Sonuçları toparlamak ve kalabalığın oluşumuna dair sebeplerini azaltarak, yukarıda sözü edilen daha genel kavramlara ulaşmak (örn. dar alanlar ve panik) için öğrenciler arasında sınıf tartışmasına aracılık edin.
4. Kalabalıklarda sergilenen fiziki olguları tanıtın^w2. Öğrencileri tartışmaya motive etmek amacıyla bu noktaları açıkça göstermek ve sınıf tarafından toplanan örnekler listesine dikkat çekmek için videoları^w3, ^w4 kullanabilirsiniz. Öğrenciler, kalabalıklardaki etkileşimler ve diğer fizik kavramları arasında benzeşimler kurmalıdırlar (elektron-elektron arasındaki itmeler, şok/ yayılan dalgalar ve sıvı akışı gibi).

İleriki deneyler, farklı etkenlerin kalabalıkları nasıl etkilediğine dair sezgisel anlayış oluşturmaktadır. Bu deneyler öğrencilerin duyarlı davranmalarını ve tehlikeden sakınmalarını gerektirir. Öğrencilerin deneyler esnasında fiziki temastan sakınmalarınıve deneylerin her zaman yürüyüş hızında olması gerektiğini vurgulayın.

Deney 1: Odayı terk etmek

Bu deney sınırlı erişimlerin kalabalıkları nasıl sevkedebildiğini (bu özellikle yangın çıkışlarını tasarlarken önemlidir) ve kalabalığın akın halinde hareket etmeye zorlanmasıyla kalabalıklaşmanın nasıl azaltılabileceğini göstermektedir.

1. 20 – 25 öğrenciden oluşan bir sınıf için kapının önünde açık bir alan oluşturun: Kapıdan 3 – 4 m uzaklıkta ve yaklaşık 3 m genişliğinde (Şekil 1A). Ebatlarını boş alana ve öğrenci sayısına bağlı olarak ayarlayın (her öğrenciye yaklaşık olarak 0.5 m² ayırın).

2. Bir öğrenci sınıfın dışında kronometre ile bekler. Geri kalanlar kapı önünde oluşturulmuş alana girerler.
3. Hazır olunduğunda bütün öğrenciler aynı anda yürümeye ve kapıdan çıkmaya başlarlar.
4. Dışarıdaki öğrenci, ilk öğrenci dışarı çıktığında kronometreyi başlatır ve son öğrencinin çıkışının ardından kronometreyi durdurur (Şekil 1B).
5. Deneyi iki defa daha tekrarlayın ve toplam 3 deneyin sonunda ortalama çıkış zamanını hesaplayıp kaydedin.
6. Bir sonraki sefer kapıdan 1 m öteye, belirlenmiş alanın içine bir tabure koyun (Şekil 1C). Öğrenciler alanın içinden sınıfın dışına tabureye dokunmadan çıkarlar (Şekil 1D). Üç tekrarın ardından ortalama zamanı hesaplayın ve kaydedin.
7. Öğrencilerin başlangıçtaki düzeni çıkış zamanının belirlenmesinde rol oynar. Öğrencilerden farklı ilk dizilimleri ve bunların daha gerçekçi durumları nasıl yansıtabileceğini hayal ederek tartışmalarını isteyin (örneğin yangından kaçan insanlar gibi). Öğrenciler yeni bir başlangıç düzeni seçmelidirler (Şekil 1E’deki gibi) ve yukarıdaki deneyi tekrarlamalıdırlar.
8. Kaydedilmiş ortalama zamanları işaretleyin (Şekil 2) ve bu zamanlardaki farklılıkların nedenlerini sınıfta tartışın.

Çıkış zamanı, tabure var olduğunda en kısa olmalıdır. Tabure, çıkış noktasında iki kişinin birbirine çok yakınlaşarak birinin diğerini kısmen bloke etmesini azaltıcı şekilde,insan akışını ikiye böler. Bu sezgilere aykırı fiziğin bir örneğidir – bir nesne bu sayede çıkış yapma hızını artırır. Yukarıdaki senaryoların canlandırmaları ve vurgulanan fizik dalının tartışması çevrimiçi ortamda mevcuttur^w3, ^w5.

Bu sonuçlar yangın çıkışlarının tasarlanması ve yangın emniyet kuralları için ne anlama gelir? Çıkış noktalarının önüne engeller konulmalı mıdır? Bu her zaman uygulanabilir olmayabilir. Eğer koşan insanlara dokunulmasaydı ne olurdu? Bu durum çıkış zamanını kısaltmasına rağmen aynı zamanda kaza olma ihtimalini artırır ve yaralı bir insanın kapıda diğer insanları engellemesine sebep olurdu (Şekil 3).

Deney 2: Dar alanlarda yürümek

Bu deney, alan sınırlarının nasıl trafik sıkışıklığına sebep olduğunu ve insanların akışını değiştirdiğini göstermektedir. Bu özellikle kalabalıkların yoğun biçimde hınca hınç olduğu hallerde, örneğin Mekke’deki hacılar (Hac sırasında)^w2 veya moleküler toplanmalar (hücre sitoplazması içindeki büyük proteinler, olabildiğince fazla boş alan oluşturabilmek için, sıkıştırıldıkları zaman daha fazla büzülme oranına sahiptirler; bakınız McGuffee & Elcock, 2010) daha belirgindir. Deney bu tür sistemlerin hatrı sayılır bir basitleştirmesi olmasına rağmen, toplanmanın ortak davranışları nasıl değiştirebileceğine de dikkat çekmektedir.

1. Yaklaşık 25 öğrenciden oluşan bir sınıf için, 5 x 3 m ebadında koridor biçiminde arındırılmış bir alan oluşturun, örneğin yerde 1 m’lik cetveller kullanarak (Şekil 4A). Her yaya için 0.5 m² lik bir alan ayırın (bakınız 2. Adım.
2. Beş öğrenci zaman tutucu olarak (kırmızı noktalar, Şekil 4A), her biri koridorun 1 x 3 m’lik bölümü boyunca (koridorda bu bölümleri oluşturmak için tebeşir kullanılabilir) sıfıra ayarlanmış kronometreler ile konuşlandırılır. Geri kalan öğrenciler yayalardır (Mars ve Venüs sembolleri), içlerinden birisi hedeftir (yeşil boyalı sembol). Yayalar önce, metrelik cetvellerle belirlenmiş alanda rasgele, yüzleri koridorun sonundaki kişiye dönük (rasgele seçilmiştir) olarak konuşlanırlar.
3. Her bir yaya koridorun sonuna doğru yönelerek yürür. Bir kez oraya varınca, geri döner ve diğer yayalardan sakınarak koridorun diğer ucuna yürür.

4. 30 saniye sonra ( iyi bir karışım temin etmek için) hedefin bulunduğu alandaki zaman tutucu kronometresini başlatır. Hedef bulunduğu alanı terkettiğinde zaman tutucu kronometresini durdurur (fakat sıfırlamaz!) ve hedefin sahasına henüz girdiği diğer zaman tutucu kronometresini başlatır (Şekil 4B). 2 dk. boyunca buna devam edin, sonra her bir zaman tutucunun kronometresindeki birikmiş zamanı kaydedin.
5. Bir sonraki sefer, koridorun genişliğini 1 m azaltın ve deneyi tekrarlaryın. Koridorun genişliği 1 m olana kadar devam edin (Şekil 4 C).
6. Farklı genişliklerdeki koridorlarda yapılan deneylerde her bir zaman tutucu tarafından kaydedilen zamanların çizelgesini yapın (Şekil 5).

Düşük yoğunluklarda (örneğin geniş koridorda) hedef her 5 alanda da hemen hemen aynı zamanı harcar (son noktalarda, durma ve dönme biraz zaman aldığı için çok az daha uzundur). Kalabalık arttıkça, sıkışıklık muhtemelen merkezde oluşur. Çünkü burası hızların (ilk hızların) en yüksek olduğu ve dar koridorların öğrencileri diğerlerine temas etmekten kaçınmak için daha da zorladığı yerdir – dolayısıyla çarpışmamak için muhtemelen dururlar ve böylece engellemelere sebep olurlar. Bu nedenle, daha çok kısıtlanmış koridorlarda hedef en çok merkezde zaman geçirir.

Bu, davranışın serbest halden kısıtlanmış sisteme geçildiği zaman nasıl değiştiğine örnektir. Bu prensipte, şeritler azaltıldığı zaman oluşan trafik sıkışıklığı durumuyla benzerdir ( elbette ki arabalar aynı şeritte zıt yönlere gitmiyorlar!). Öğrenciler ayrıca deney sırasında oluşan akışların, anacaddelerdeki yaya akışlarına benzer olduğunun da farkına varabilirler^w5. Bu durum, kalabalık içindeki bir kişi için diğer bir insanın izlediği yolu izlemenin, o kalabalık içinde yeni bir rota oluşturmaktan daha verimli olmasından dolayı meydana gelir.

Sonuçlar

Temel sonuçları özetleyin:

• Kalabalıklar dinamik varlıklardır, fiziksel kavramlar ile iyi tasvir edilebilirler.
• Akışlar kalabalık baskısını rahatlatabilir. Özellikle yapay yolla sebep olunmuş akışlar (engeller kullanarak) kalabalık alanlardan çıkma zamanını azaltabilir.
• Yüksek ilk hızlar kalabalıklaşmaya yol açabilir – her zaman hızlı olunması gerekmez. Bu durum, mekansal olarak sakin bölgelerde belirgindir, hücre sitoplazması veya yol çalışması yapılan yerler gibi.
• Yukarıdaki kavramları kullanarak fizikçiler, gerçek dünya sorunlarının ele alınmasında yardımcı olabiliyorlar. Örneğin, yıllık Hac dönemlerinde kalabalık baskısını azaltarak, ilerleyen dönemlerde kalabalıklardan doğabilecek sorunlardan sakınmak için yeni sistemler kullanılıyor^w2.
• Bu tür çözümler farklı fizik disiplinlerinin bir arada kullanılmasını (örneğin, sıvı mekaniği, parçacık etkileşimleri, dalgalanmalar ve sınırların etkisi) ve sezgisel olmayan düşünmeyi gerektiriyor.

İsteğe Bağlı Uzatma

Öğrencilerinize kalabalıklaşmanın özel şekilleri, gözlenen kalabalığı fiziğin nasıl açıklayabileceği ve (eğer uygunsa) kalabalıkları rahatlatmak adına neler yapılabileceği hakkında deneme yazdırabilirsiniz. Olası örnek durumlar olarak Hac ziyareti, yangın çıkışlarının tasarlanması, otoyol yapımı, şehir planlaması, hayvan göçleri, moleküllerin hücre içindeki difüzyonu veya çözeltilerdeki makromoleküler toplanmalar gibi durumları seçebilirsiniz.

Matematik zekası baskın öğrenciler için, yetenekli sürücü modeli kalabalıkların modellenmesi açısından iyi bir örnektir^w6.