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Por que o tráfego “anda e para” em rodovias?

por em 09/01/2018 em Ciência, Tecnologia | 3 comentários

Por que o tráfego “anda e para” em rodovias?

Quem tem um parente que não costuma ser bem humorado no trânsito já deve ter ouvido “por que raios o tráfego chega a parar na rodovia sem motivos já que não tem nem semáforos?” e, possivelmente, a reclamação é seguida por buzinadas. Com certeza, não é intuitivo este fato. Em uma rodovia com várias faixas e sem semáforos, não deveria haver motivo para o tráfego parar completamente, porém, é fato que isto de vez em quando acontece.

O início do vídeo abaixo (até 58 segundos) pode tentar responder a essa pergunta. Em um experimento conduzido por pesquisadores japoneses, colocaram-se 22 veículos em uma pista circular e deixaram que trafegassem nesta via. Os motoristas foram instruídos a dirigir com velocidade de 30km/h.

(Vídeo combinado das notícias dos dois primeiros itens na lista de referências)

Veja como um mesmo veículo tem que acelerar e desacelerar frequentemente. Você esperaria isso? Outro fato curioso é que o engarrafamento, a “fila” que forma  (apesar de não ser fácil definir o início e o final dela), está aumentando na direção oposta ao tráfego. Aos 14 segundos observe que há um veículo laranja bem próximo a câmera quase no início da lentidão. Tente acompanhá-lo. Veja que, neste momento, apesar de um “furo”, a fila estava “terminando” aproximadamente 6 veículos atrás deste veículo laranja. Observe também o quarto veículo branco atrás do laranja. Aos 43 segundos, o veículo laranja acelera de novo. Ele é o líder da fila em uma posição, diferente da volta anterior, aproximadamente 1/4 de volta atrás em relação a volta anterior. Observe que o quarto veículo branco freia também em um local diferente e também aproximadamente 1/4 de volta atrás em relação a posição que ele teve que frear na volta anterior.

Abstraindo um pouco mais: Imagine este mesmo carro branco (posição diametralmente oposta à câmera) como a posição do final da fila no segundo 41. Imagine a posição do fim fila a cada segundo. No segundo 45, seria perto de um carro preto que acabou de frear. No segundo 48 em um carro azul, um pouco atrás. Consegue imaginar que essa posição imaginária do fim da fila está percorrendo o círculo em direção oposta ao tráfego? Esta velocidade, segundo o estudo, é de aproximadamente 20km/h. Velocidades parecidas são comumente observadas no tráfego urbano. Veja que o número de veículos é o mesmo durante o tempo todo e depois de uns 40 segundos de vídeo observe que o comprimento do engarrafamento é de aproximadamente uns 6 carros, mas o início e fim da fila mudam de posição!

 O que é único neste estudo é que não existe um “gargalo” na pista. Em rodovias, os congestionamentos comumente começam em um estreitamento de faixas (às vezes chamado de estrangulamento), mas observe que, neste caso, não existe um gargalo aparente. O gargalo é criado espontaneamente.

A área que estuda isso é a “teoria de fluxo veicular”, uma sub-área da área de transportes que busca entender o tráfego em seus detalhes. A explicação exata para o fenômeno é motivo de discussão até para pessoas da área, muito embora haja concordância em linhas gerais. O que acontece no tráfego é muito semelhante ao que ocorre em fluidos gasosos, em que as partículas dificilmente chegam a um equilíbrio, isto é, em um estado em que todas as moléculas se movimentam em velocidade constante. Em gases, moléculas não estão em equilíbrio porque constantemente elas “batem” umas contra as outras e mudam constantemente de direção. Isto não impede que seja possível obter medidas macroscópicas como “velocidade média das partículas”, densidade de partículas e etc.

No tráfego, veículos não “batem” constantemente (talvez de vez em quando :)), mas influenciam e são influenciados pela velocidade e posição dos veículos na vizinhança. O resultado destas interações é o que observamos no vídeo. Da mesma forma que em gases, podemos calcular velocidade média e densidade (observe que, perto do congestionamento, a concentração de veículos é maior que fora dele), no entanto, é um grande desafio prever exatamente a velocidade e a posição de um determinado veículo. 

Mais detalhadamente, têm três fatores importantes que podem causar esse comportamento. Primeiro, observe que a fila aumenta, fazendo com que o final vá na direção oposta ao tráfego. É o mesmo comportamento de uma fila de banco quando você deixa um pequeno espaço, dá um passo à frente e observa a fila atrás de você. Perceberá que essa sua movimentação tem um impacto na fila que “caminha” no sentido contrário à fila. Isto acontece porque pessoas têm um tempo de reação. Digamos que,se cada pessoa dá um passo à frente 1 segundo depois que a pessoa imediatamente o fez, o efeito da sua movimentação caminhará a uma pessoa por segundo e você verá a décima pessoa dar um passo a frente 10 segundos depois. No tráfego ocorre exatamente o mesmo e, como citado no vídeo e no estudo original, a velocidade é em torno de 20km/h.

Segundo, nossa reação no tráfego é diferente em relação a acelerações do que desacelerações – freamos muito mais intensamente do que aceleramos. O resultado deste comportamento, embora não trivial, pode causar queda de fluxo e um comportamento instável (de não equilíbrio).

Terceiro, cada motorista é diferente do outro. Uns mantêm curtas distâncias com relação ao seu líder enquanto outros mantêm grande espaçamento. Outros aceleram rapidamente enquanto outros não e por aí vai. O resultado disso, também, pode contribuir em parte com o que acontece no vídeo.

E se veículos fossem autônomos?

Em outro texto eu já havia comentado alguns dos possíveis impactos de veículos autônomos. Um deles era o aumento de capacidade das vias se a parcela de veículos autônomos for significativa. Pesquisadores nos Estados Unidos fizeram um experimento semelhante, porém eles incluíram apenas um veículo autônomo entre o grupo de carros. O resultado pode ser visto na parte final do vídeo (58 segundos em diante).  O veículo autônomo consegue regular mais facilmente sua velocidade, e observe que ele até chega a ficar a uma distância em que alguns motoristas (humanos) teriam reduzido a velocidade, mas, como o tempo de reação é menor, é possível “aceitar” menores espaçamentos com relação ao veículo a sua frente.

A moral da história é que o anda e pára do tráfego acontece por motivos espontâneos sem uma razão tão intuitiva para acontecer. É por esses e outros motivos que em um congestionamento carros aceleram e freiam diversas vezes. É também por isso que,mesmo em rodovias sem semáforos, o tráfego chega a parar completamente algumas vezes. Possivelmente isto não aconteça mais quando veículos forem autônomos.

 

Referências:

  • Notícia sobre o experimento no Japão.
  • Estudo original de pesquisadores japoneses.
  • Estudo de pesquisadores americanos com veículos autônomos.
  • Verbete sobre tráfego veicular na Wikipedia.