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gongtianyu鐵桿木蟲 (正式寫手)
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[交流]
看物理學(xué)家怎樣搞定交通罰單 已有5人參與
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一個物理學(xué)家因被指控在停牌沒停車而收到400美元的罰單，急怒攻心之下他寫了一篇論文，推導(dǎo)出交警其實是誤判，并成功說服法官免去罰單。來看技術(shù)流教你如何破財免災(zāi)。 在美國開車碰上“stop”的標記，要停車讓行。不同于紅綠燈，雖然法律要求汽車在這種標志前完全停止，但并未規(guī)定停車時間（不過要求看清路況）。也就是說，在這個標志面前只要車速降到 0 就“安全”了。如果不幸被躲在一邊的警察發(fā)現(xiàn)車沒有停住，一張罰單不可避免。對大多數(shù)司機來說，碰到這種事情也就只有認錯交款的份。但加州大學(xué)圣地亞哥分校的一名高級研究員 Dmitri Krioukov 在因為這個原因被加州警察罰款之后，選擇了上法庭申訴。 當時的情況是，他經(jīng)過的道路有兩條車道，在他的車身較短的豐田雅力士（Toyota Yaris）和警察中間還有另外一輛車身較長的車在通行，兩輛車幾乎同時從停車標記S的地方通過。他以一篇 4 頁紙的物理論文向法庭證明，在這種環(huán)境下，由于另一輛車的遮擋，完全存在自己停了但警察沒看到，而被誤認為沒有停的可能。據(jù)此 Dmitri 說服法官，成功免掉了 400 美元的罰款[1]。 早在 4 月 1 日， Dmitri 就將這篇論文公布在科學(xué)論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上[2]。讓我們一起來看看他的論證過程是怎樣的，也體驗一把法官的感覺。 警察依據(jù)什么開出罰單？ 首先讓我們還原一下“案發(fā)現(xiàn)場”，如下圖所示，警察 O 在和道路 L 垂直的方向上觀察通過停車標志 S 處的車輛 C，當他看到車 C 沒有在 S 的地方完全停止，就可以追上去給司機開出一張罰單。假設(shè)車的速度為 v，車離 S 的距離記作 x，警察離停車標志的距離 SO 記作 r 0 ， 角SOC 記作 α。根據(jù)幾何關(guān)系可以很容易得出，對應(yīng)于隨時間變化的距離 x(t)，角度α(t)=arctan[x(t)/ r 0 ]。  警察在和道路垂直的方向上觀察通過停車標志的車輛 但實際上，警察觀察的并不是車輛沿著道路行使的直線速度 v，而是車輛在道路上行駛時相對 O 點的角速度 ω（角度α的變化率）。就像我們站在鐵路邊上觀察駛過的火車那樣，當火車距離很遠的時候，看上去像沒有動一樣；而當火車從面前經(jīng)過的時候，我們感受到的速度非�？臁τ谝运俣� v 勻速行駛并在 t=0 時刻通過 S 點的車輛，其對應(yīng)的角速度 ω 可以用公式表示為  如果車的速度為 10 m/s， r 0 = 10 m，在 O 點的警察看到的角速度就如下圖所示：  警察觀察到的勻速通過停車標志S車輛的角速度曲線 而對于在 S 處以同樣大小的加速度 a 0 從 v 減速到完全停止（t=0），再重新加速到原有的速度 v 的情況，其角速度也可以很容易地推導(dǎo)出來，為  當初始速度為10 m/s 時，加速度為1, 3, 10 m/ s 2 不等的幾種情況，警察觀察到的角速度如下圖所示： 警察觀察到的以同樣大小的加速度a0先勻加速再勻減速通過S點車輛的角速度  警察觀察到的以同樣大小的加速度a0先勻加速再勻減速通過S點車輛的角速度 警察通過觀察車輛在 S 處的角速度，就可以判定車輛是否在停車標志 S 的地方完全停止（角速度為零）。如果車輛用于停止和加速的加速度比較大，那么體現(xiàn)停車的角速度特征對應(yīng)的時間會很短，在視線被影響的條件下，警察確實有可能誤判。 物理學(xué)家如何為自己辯護 前面說過，故事主角 Dmitri 當時經(jīng)過的道路有兩條車道，在他的車和警察中間還有另外一輛車在通行。 Dmitri駕駛的是雅力士，車身較短（在車道1），而另外一輛車身較長，可能是斯巴魯傲虎（Subaru Outback）之類的車（在車道2），這兩輛車同時從停車標記S的地方通過。 警察的視線可能受到了另外一輛車的阻擋而沒有觀察到Dmitri停車的過程  警察的視線可能受到了另外一輛車的阻擋而沒有觀察到Dmitri停車的過程 問題是這輛車真的讓警察誤判了嗎？要回答這個問題，就要準確判斷警察視線受阻的時間，因此我們需要知道知道車輛的運行速度等信息。根據(jù) Dmitri 本人的陳述，當天天氣寒冷導(dǎo)致他身體狀況不佳，在接近停車標志減速的時候他正打噴嚏，所以剎車踩的很猛，選擇 a 0 =10 m/ s 2 會更接近當時的情況。據(jù)此，他估算的警察視線被部分遮擋和全部阻擋的時間分別為 t p =1.31 秒和 t f =0.45 秒。而在 a 0 =10 m/ s 2 的情況下減速或加速的過程需要的時間為 t’=1.07 秒，雖然比全部阻擋的時間長但比部分阻擋的時間短。因此很有可能警察沒有看到他減速到完全停下來再加速的過程（雖然時間很短）。 在另一輛車遮擋視線情況下，警察可能會把觀察到的角速度和預(yù)想的勻速運動混淆起來  在另一輛車遮擋視線情況下，警察可能會把觀察到的角速度和預(yù)想的勻速運動混淆起來 這樣一來，雖然 Dmitri 的車實際的角速度是上圖中藍色的曲線，其中實現(xiàn)了完全停止，不過由于另一輛車的阻擋，警察觀察到的是紅色的虛線，并沒有看到中間減速和加速的過程。警察的觀察和預(yù)想的以 8 m/s 速度勻速通過的車輛的角速度比較接近，可能他正是據(jù)此判定 Dmitri 沒有停車而開出罰單的。 根據(jù)這些分析， Dmitri 總結(jié)說，在以下三種因素的影響下，警察很可能做出了錯誤的判斷： 警察并不是用特殊的設(shè)備來觀測車輛的線速度，他是用眼來估計車輛的角速度； 車輛減速和加速的加速度比較大； 在t=0時刻附近，警察的視線被另外一輛車阻擋。 在法庭上，這個理論說服了法官，也說服了出庭作證的警察。這使得他成功免掉了 400 美元的罰款。 之后很快，幾乎全世界都知道了這個“物理學(xué)家統(tǒng)治世界”的傳奇故事。根據(jù)圣地亞哥當?shù)匦侣劦膱蟮�，當被問到是否真的完全停車時， Dmitri 微笑著說 ，“我當然停了”。 很可能法官被騙了 不得不說，Dmitri 在這次“斗爭”中表現(xiàn)得智勇雙全。不過他很可能只是欺負了法官和警察是外行。因為他的分析并非無懈可擊，比如 PhysicsCentral 的報道就提到[3]，Dmitri的推導(dǎo)有一個瑕疵。 雖然文章里面對警官視線受阻時間的估計也不是很合理，不過最大的瑕疵恐怕還是在加速度上。根據(jù)網(wǎng)上能找到的關(guān)于豐田雅力士的介紹（比如 這個 ），這種車從100千米每小時減速到靜止需要47.21米，對應(yīng)的加速度和理論里使用的10m/ s 2接近，但是從靜止加速到 100 千米/小時 的速度大約需要 10 秒。也就是說，它的最大加速度大約為 3 m/ s 2 左右，不能夠達到 Dmitri 宣稱的 10 m/ s 2 。因此，很有可能他并沒有在停車標志的地方完全停止，只是成功運用物理知識使得法官和警察相信了這種可能性。 [ Last edited by gongtianyu on 2012-4-18 at 11:47 ] |
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