Инновации в мире науки

Высокий темп освоения новых знаний, создание наукоемкой продукции и передовых технологий, а также масштабные исследования обеспечивают эффективное решение комплекса задач. Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций в рубрике #инновации_в_мире_науки каждую неделю рассказывает о мировых технологических лидерах и инновациях научно-технического развития в области обеспечения безопасности.

Физики описали поведение многотысячной толпы

Физики проанализировали перемещение толпы на фестивале Сан-Фермин и обнаружили образование макроскопических круговых осцилляторов, координирующих движение сотен людей без внешнего управления. На основе своих наблюдений и базовых законов механики ученые построили модель поведения плотных толп, а также предложили способ, который поможет избежать давки и травмоопасных ситуаций.

В большинстве случаев ученые строят гипотезы о движении не слишком больших групп людей (порядка сотен человек) на основе моделей взаимодействия двух тел. Эти гипотезы, появившиеся около 30 лет назад, достаточно точно предсказывают перемещения отдельных людей в небольших группах и приносят ощутимую пользу: с помощью них разрабатывают протоколы безопасной эвакуации людей и даже отличают опытных футболистов от новичков во время тренировки. Однако вопрос о том, как описать особенности поведения большой толпы (например, предсказать возникновение в ней потоков), все еще остается открытым. При этом использовать предположения о взаимодействии двух человек внутри толпы в этом случае так же бесполезно, как пытаться описать течение реки на основе модели взаимодействия двух молекул воды.

Физики из Испании и Франции под руководством Дениса Бартоло (Denis Bartolo) из Национального центра научных исследований построили модель поведения тесной толпы на основе анализа групп людей численностью в несколько тысяч человек, не прибегая к поведенческим гипотезам. Для этого исследователи измерили основные параметры движения пятитысячной толпы, которая образуется ежегодно во время фестиваля Сан-Фермин в испанском городе Памплона: ученые использовали данные с камер, полученные в 2019, 2022, 2023 и 2024 годах (в 2020 и 2021 году праздник не проводился из-за пандемии) при разных погодных условиях (последнее помогло учесть влияние внешних неконтролируемых факторов). Физики рассмотрели поведение толпы непосредственно перед открытием фестиваля, когда отсутствуют сторонние сигналы, диктующие динамику участников праздника. В качестве количественных характеристик выступили локальная плотность и скорость движения людей — эти данные авторы работы получили после обработки видеокадров, записанных с нескольких зданий вокруг площади.

Первое, что заметили физики, это линейный рост средней плотности толпы вплоть до начала фестиваля (в этот момент на один квадратный метр камеры зафиксировали в среднем шесть человек), при этом локальная плотность людей достигала значения в девять человек на квадратный метр. Помимо этого ученые провели велосиметрию по видеофрагментам и выяснили, что флуктуации средней скорости незначительны в самом начале мероприятия, когда толпа только начинает формироваться, но примерно за 30 минут до открытия фестиваля средний квадрат скорости продемонстрировал линейный рост, что говорит о своеобразном фазовом переходе в динамике толпы.

Рисунок 1 – Изменение средней плотности толпы с течением времени до начала фестиваля Сан-Фермин

Затем исследователи построили временной спектр мощности кинетической энергии для толпы вблизи максимального значения плотности, что в свою очередь помогло выяснить очень интересный факт: динамика толпы оказалась не хаотичной, а осциллирующей во времени с периодом примерно 18 секунд. Этот период не задавался механическими, визуальными или акустическими стимулами и был больше, чем времена движений человеческого тела. Также ученые определили, что эти колебания толпы происходили не из-за движения людей вперед и назад, а из-за их перемещения по немного асимметричной круговой траектории, то есть динамические волны в толпе не имели ничего общего с волнами stop-and-go (которые возникают при однонаправленном движении), но при этом оказались непохожи на мошпиты, образующиеся на музыкальных концертах, так как для последних характерна очень длительная устойчивость.

Рисунок 2 – Осцилляция в толпе (выделены цветом) на фестивале Сан-Фермин в 2023 году

Физики описали выявленные закономерности с помощью фундаментального закона сохранения импульса: исследователи использовали приближение среднего поля, пренебрегая пространственными неоднородностями толпы, и свели полученное уравнение для импульса ко второму закону Ньютона. В получившемся выражении главными переменными выступили скорость центра масс толпы и полная плотность силы, действующей на толпу, которая в свою очередь состояла из двух слагаемых — силы взаимодействия с внешними ограничениями и силы трения о землю. Первая, по мнению ученых, возникает из-за контактного взаимодействия между людьми и влияния жестких стенок, окружающих толпу (никто не хочет покидать праздник раньше времени, поэтому все стараются не выходить за пределы городской площади). В результате учета основных параметров ученые получили достаточно точные теоретические предсказания, которые совпали с полученными ранее экспериментальными данными.

Авторы работы отметили, что их исследование будет полезным для предотвращения катастроф, связанных с давкой и другими травмоопасными ситуациями внутри больших и тесных групп людей. Поскольку разработанная учеными модель позволила не только описать перемещение толпы, но и предсказать в ней спонтанное появление круговых осцилляций, которые в большинстве случаев перерастают в давку при отсутствии внешнего контроля.

Немецкие инженеры создали «искусственные жабры» для глубоководных роботов

Исследователи разработали систему питания для подводных роботов, которая извлекает кислород из морской воды подобно рыбьим жабрам, чтобы увеличить время работы океанских беспилотников без подзарядки.

Немецкие исследователи разработали технологию питания для автономных подводных аппаратов, способную заменить традиционные литиевые батареи. Предложенная система использует специальные мембраны, имитирующие работу рыбьих жабр, для извлечения кислорода из морской воды и его преобразования в электроэнергию с помощью водородных топливных элементов.

Ключевой элемент технологии — мембрана толщиной всего 4 мкм, изготовленная из гидрофобного полимера POMS. Она позволяет пропускать растворенный в воде кислород, но блокирует воду. При этом на борту в металлогидридных контейнерах хранится водород. Топливный элемент обеспечивает стабильное производство электроэнергии для работы подводного аппарата из водорода и кислорода.

Рисунок – Принцип работы топливного элемента на основе «искусственных жабр».

Технология, по словам разработчиков, важна для работы океанских планеров — автономных подводных роботов, способных погружаться на глубину до 1000 метров для измерения температуры, давления, солености и других параметров морской воды. В отличие от литиевых батарей, классифицируемых как опасные материалы, «искусственные жабры» безопаснее при транспортировке и эксплуатации.

Словенский грузовой беспилотник Nuuva V300 впервые поднялся в воздух

Он может перевозить 272 килограмм груза на расстояние до 555 километров

Словенская компания Pipistrel сообщила об успешном первом полете гибридно-электрического грузового дрона Nuuva V300, беспилотник испытали в режиме висения. Nuuva V300 имеет двухбалочную конструкцию с восемью пропеллерами для вертикального взлета и посадки и одним толкающим винтом в хвосте для горизонтального полета. Он сможет взлетать с неподготовленных площадок и перевозить до 272 килограмм груза на расстояние до 555 километров. Грузовой отсек расположен в центре и имеет объем около трех кубических метров, что позволяет разместить в нем до трех палет с грузом, загрузка происходит через носовую часть фюзеляжа. Позднее в этом году к испытаниям должен приступить второй экземпляр Nuuva V300.

Впервые проект грузового электрического беспилотного летательного аппарата Nuuva V300 был представлен Pipistrel в 2020 году. Для безопасности система управления аппарата имеет трехкратное резервирование. Помимо V300 компания Pipistrel также намерена выпустить его уменьшенный вариант Nuuvo V20 с грузоподъемностью до 20 килограмм.