Дети двигаются как газ или, в группах, как фазовый переход жидкость-пар, говорится в исследовании

Наблюдая за детьми дошкольного возраста, исследователи выявили две новые термодинамические фазы коллективного движения. Свободные и независимые движения детей сопоставимы с газообразной фазой, а их скопления в небольшие динамичные группы свидетельствуют о сосуществовании газообразной и жидкой фаз. Эти наблюдения могут иметь значение для поведенческих наук, биологии и эпидемиологии.

В последние годы физики показали, что движения животных имеют термодинамические фазы. У людей эти движения в основном изучались в толпе в различных масштабах. Добровольцев обычно просят выполнить определенные задания, а параметры их движений регистрируются в лаборатории. Эксперименты показали, например, что динамические потоки в толпе демонстрируют текучее поведение, со скоростями, соответствующими закону распределения Максвелла-Больцмана (распределение скоростей газа или жидкости при определенной температуре).

Недавние исследования показали, что человеческие толпы демонстрируют более сложное поведение. Например, собрания, такие как встречи и конференции, характеризуются ограниченными перемещениями. Поэтому социальные взаимодействия могут влиять на их физические параметры. С физической точки зрения, эти сценарии (динамические или нединамические собрания) могут соответствовать различным фазам с разными свойствами.

Исследователи из Университета Майами продолжили изучать, как социальные взаимодействия могут влиять на фазы коллективных движений. Они выдвинули гипотезу, что эти взаимодействия могут приводить к фазовому переходу жидкость-пар. Ранее эта гипотеза изучалась на животных и роботизированных роях.

Однако фазы коллективного движения людей до сих пор изучались только в когортах, движущихся в среднем с относительно высокой скоростью (более 1 м/с). «Возможность того, что в низкоскоростных режимах, на которые может повлиять сильное социальное взаимодействие, может возникнуть другая фаза, еще не изучалась», — объясняют авторы работы, опубликованной в журнале Physical Review E.

Выявление двух типов фазы движения

Исследователи отобрали группы детей дошкольного возраста (от 2 до 4 лет) для наблюдения в 4 различных классных комнатах и игровых зонах. В этом возрасте можно изучать движения, скорость которых не превышает одного метра в секунду. Для сбора пространственно-временных данных высокого разрешения о движениях детей использовалось устройство сверхширокополосной радиочастотной идентификации (UWB-RFID). «Использование технологии UWB-RFID позволило точно отслеживать движения детей», — отмечают эксперты в пресс-релизе.

Было выявлено два различных типа фазы движения. Первая, известная как газовая фаза, возникает, когда дети свободно и независимо друг от друга перемещаются. Вторая, описанная как фаза сосуществования жидкости и пара, возникает, когда дети собираются в небольшие группы, сравнимые с каплями жидкости, при этом некоторые из них входят или выходят из этих групп в виде пара. Эта переходная фаза, подтверждающая гипотезу о переходе фазы жидкость-пар в результате социального взаимодействия, связана с меньшей скоростью движения и большей плотностью детей.

Затем команда использовала эти эмпирические данные для разработки статистической физической модели, которая воспроизводит две выявленные фазы. Модель была использована для создания стандартной фазовой диаграммы для коллективного движения людей со средней скоростью менее 1 м/с. Эта диаграмма потенциально может дать ценную информацию, например, для улучшения управления толпой и образовательных стратегий, а также для лучшего понимания эпидемиологических данных.

Кроме того, «предложенная технология UWB-RFID может быть использована для изучения динамики активных систем материи, включая поведение животных, координацию роботизированных роев и мониторинг взаимодействия людей в сложных системах, что может принести пользу будущим исследованиям в области социальной физики», — заключают исследователи.