Светофоры, регулирующие движение на въезде на шоссе, необходимы, чтобы плотность «потока главной дороги» была ниже критической отметки, а система продолжала стабильно функционировать. «Если доступ будет беспрепятственным, на въезде будут стоять колонны автомобилей», — говорит Хелоу. А это означает не только больше машин в целом, но и больше машин, шныряющих из ряда в ряд, чтобы влиться в поток. Исследования показали, что этот процесс невозможно предсказать и согласованно выполнить. «Оно (перестроение) в конечном счете разбивает правый ряд, — утверждает она. — Переполняется соседняя полоса, поскольку люди пытаются перестроиться прежде, чем доберутся до нужного места. Потом нарушается движение на следующей полосе, потом еще на одной. И таким образом начинается хаос». Как показало исследование, колонна автомобилей, ждущих на съезде с автотрассы, может тоже вызвать цепную реакцию, даже если плотность других полос будет далека от критической{31}.
Правильно функционирующие светофоры{32} не дают плотности потока дойти до высшей точки и позволяют выехать на шоссе на оптимальной скорости. Инженеры называют это «максимизацией пропускной способности».
Есть простой пример, который прекрасно иллюстрирует этот процесс. Возьмите килограмм риса и высыпьте его весь сразу через воронку в пустую емкость, посчитав, сколько времени это займет. Затем возьмите тот же самый рис и высыпайте его постепенно. Засеките время. В каком случае уйдет меньше времени? Когда этот эксперимент проводился в Транспортном управлении в Вашингтоне, 40 секунд ушло на то, чтобы пересыпать рис в первом случае, и 27 секунд — во втором. Разница почти на треть{33}. То, что представлялось медленным, на деле оказывается быстрым.
У риса гораздо больше общего с дорожным движением, чем кажется. Многие сравнивают дорожный поток и с потоками воды, поскольку это удобно для описания таких понятий, как интенсивность и пропускная способность. Специализирующийся на дорожном движении преподаватель технических дисциплин в Университете Огайо Бенджамин Койфман приводит пример с ведром, в дне которого есть отверстие диаметром в 2 см. Если диаметр направленной в ведро водной струи составит 1 см, то оно не будет наполняться. Если же диаметр струи, скажем, 4 см, то оно будет наполняться, хотя при этом часть воды выльется. Вероятность попадания в пробку зависит от того, выливается ли «вода» (то есть поток, пытающийся пройти через узкое место) или «ведро» наполняется. «Первое, с чем сталкивается водитель, — конец очереди, — говорит Койфман. — Эта точка — сиюминутный “уровень воды”». Сравнение с ведром учит нас также, что, вне зависимости от общего объема емкости (или ширины дороги), размер отверстия (узкое место) диктует свои условия.
В узких местах движение меньше похоже на поток воды (оно не ускоряется) и больше на рис: автомобили, как и зернышки, — отдельные объекты, которые ведут себя определенным образом. Рис представляет собой «сыпучую среду» — твердое вещество, которому присущи свойства жидкости. Физик из Чикагского университета и специалист по сыпучим телам Сидни Нагель приводит в пример ложку сахара. Насыпьте слишком много — и вся горка развалится. Сахар ведет себя как жидкость при осыпании, но на самом деле это сложная группа взаимодействующих твердых тел. «Они не притягивают друг друга, — говорит Нагель. — Они могут только рассыпаться». Поведение сыпучих веществ сложно предсказать. Именно поэтому зернохранилища иногда обрушаются, а бумажная коробка деформируется внизу, если высыпать из нее некоторое количество овсяных хлопьев.
Почему рис так плохо проходит через воронку? Приток риса превышает ее пропускную способность. Система становится все плотнее и плотнее. Зерна чаще и дольше соприкасаются. Рис «зависает» и от трения о стенки воронки. Звучит знакомо? «В точности как машины на дороге{34}, — говорит Нагель. — Когда дорога сужается, транспортный поток становится все плотнее, пока не заполняет все пространство»{35}.
Если пересыпáть рис постепенно, меньшими порциями — или пропускать меньшее количество автомобилей, — места будет больше, а зерна будут меньше взаимодействовать друг с другом{36}. Объекты перемещаются быстрее. Водителю, застрявшему в пробке, часто трудно заставить себя следовать принципу «тише едешь — дальше будешь». В 1999 году сенатор из Миннесоты, считавший, что светофоры, регулирующие въезд транспорта на шоссе в Миннеаполисе и Сент-Поле, приносят больше вреда, чем пользы, начал кампанию «Свободная езда», целью которой была, кроме всего прочего, отмена этих светофоров. Предложение не прошло, но в соответствии с другим законопроектом они были отключены временно — на два месяца. Водители могли въезжать на шоссе, когда хотели. И что же произошло? Ситуация ухудшилась. Скорость снизилась, время прохождения этого участка автострады увеличилось. Исследование показало, что на определенных отрезках пропускная способность уменьшилась вдвое{37}. Светофоры включили снова.
Дорожное движение часто подтверждает правильность поговорки «тише едешь — дальше будешь». Классический пример — круговая развязка. Многие ошибочно считают, что она замедляет движение. Грамотно спроектированные круговые развязки могут уменьшить задержки на 65% по сравнению с перекрестками со светофорами или знаками. Несомненно, водитель, которому горит зеленый свет, проскочит перекресток намного быстрее, чем по кругу. Но примерно половину времени будет гореть красный, а даже если и зеленый, то перед светофором может собраться очередь из машин. Добавьте те автомобили, которые должны повернуть налево, блокируя движение едущих прямо. Я уже не говорю о «времени очищения», когда на всех светофорах должен гореть красный свет. Водители, конечно, замедляются, когда едут по круговой развязке, но в нормальных условиях им не приходится останавливаться{38}.
В 60-х в Голландском туннеле — одной из главных транспортных артерий для въезда в Нью-Йорк и выезда из него — провели следующий эксперимент. Когда автомобилям разрешали въезжать туда без ограничений, двухполосная дорога пропускала 1176 автомобилей в час, едущих на оптимальной скорости 30 км/ч. Но в рамках эксперимента дорожная полиция снизила количество машин, въезжающих в туннель, до 44 за 2 минуты. Как только это количество машин въезжало в туннель, полицейские останавливали поток на въезде на 10 секунд, после чего снова открывали проезд. Что из этого вышло? В час туннель пропускал 1320 транспортных средств{39}. (Чуть позже я кратко объясню почему.)
На улицах со светофорами инженеры так запрограммировали «зеленую волну», что она позволяла машинам передвигаться без задержек на оптимальной скорости. Если водитель ехал слишком быстро, он просто останавливался на следующем светофоре. Каждая остановка требует замедления и, что более важно, ускорения, на которое водитель тратит время и топливо. Очередь машин, остановившихся на красный свет, — концентрация «времени, утраченного на разгон», как говорят инженеры (по аналогии с циклом Марселя Пруста «В поисках утраченного времени»). Первые автомобили в очереди тратят попусту в среднем около двух секунд каждый. Этого можно было бы избежать, если бы они ехали со скоростью «потока насыщения». После смены красного света на зеленый первый водитель должен удостовериться в том, что перекресток пустой и можно ехать, — следовательно, он наиболее активно генерирует «утраченное время». Второй водитель — немного меньше, третий еще меньше и так далее (при условии, что все реагируют вовремя, а это не всегда так). Внедорожники замедляются в среднем на 20% дольше{40}, потому что они длиннее (приблизительно на 14%) обычных автомобилей и медленнее разгоняются.
Часть утраченного времени можно было бы «вернуть», если бы водители подъезжали к светофору медленнее, на одной и той же скорости, которая не вынуждала бы их останавливаться. (Однако если бы они подъезжали слишком медленно, время было бы тоже потеряно, поскольку зеленый свет горел бы впустую: перекресток свободен, а никто не едет.) Бóльшая часть потерянного времени в наше время — это «время, потраченное на очистку перекрестка», то есть промежуток между сигналами светофора, когда дорога на короткое время пустеет. Так происходит потому, что дорожные инженеры удлиняют время, когда у всех светофоров на перекрестке горит красный свет, то есть в одном направлении уже горит красный, а на перпендикулярном ему водители должны ждать еще около двух секунд, пока у них загорится зеленый. Это необходимо, потому что все больше и больше водителей не останавливается на красный свет{41}.
