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一个物理学家因被指控在停牌没停车而收到400美元的罚单,急怒攻心之下他写了一篇论文,推导出交警其实是误判,并成功说服法官免去罚单。来看技术流教你如何破财免灾。
在美国开车碰上“stop”的标记,要停车让行。不同于红绿灯,虽然法律要求汽车在这种标志前完全停止,但并未规定停车时间(不过要求看清路况)。也就是说,在这个标志面前只要车速降到0就“安全”了。如果不幸被躲在一边的警察发现车没有停住,一张罚单不可避免。对大多数司机来说,碰到这种事情也就只有认错交款的份。但加州大学圣地亚哥分校的一名高级研究员Dmitri Krioukov在因为这个原因被加州警察罚款之后,选择了上法庭申诉。
当时的情况是,他经过的道路有两条车道,在他的车身较短的丰田雅力士(ToyotaYaris)和警察中间还有另外一辆车身较长的车在通行,两辆车几乎同时从停车标记S的地方通过。他以一篇4页纸的物理论文向法庭证明,在这种环境下,由于另一辆车的遮挡,完全存在自己停了但警察没看到,而被误认为没有停的可能。据此Dmitri说服法官,成功免掉了400美元的罚款。
早在4月1日,Dmitri就将这篇论文公布在科学论文预印本网站arXiv上。让我们一起来看看他的论证过程是怎样的,也体验一把法官的感觉。
警察依据什么开出罚单?
首先让我们还原一下“案发现场”,如下图所示,警察O在和道路L垂直的方向上观察通过停车标志S处的车辆C,当他看到车C没有在S的地方完全停止,就可以追上去给司机开出一张罚单。假设车的速度为v,车离S的距离记作x,警察离停车标志的距离SO记作r0,角SOC记作α。根据几何关系可以很容易得出,对应于随时间变化的距离x(t),角度α(t)=arctan[x(t)/r0]。
警察在和道路垂直的方向上观察通过停车标志的车辆
但实际上,警察观察的并不是车辆沿着道路行使的直线速度v,而是车辆在道路上行驶时相对O点的角速度ω(角度α的变化率)。就像我们站在铁路边上观察驶过的火车那样,当火车距离很远的时候,看上去像没有动一样;而当火车从面前经过的时候,我们感受到的速度非常快。对于以速度v匀速行驶并在t=0时刻通过S点的车辆,其对应的角速度ω可以用公式表示为:
如果车的速度为10m/s,r0=10m,在O点的警察看到的角速度就如下图所示:
警察观察到的匀速通过停车标志S车辆的角速度曲线
而对于在S处以同样大小的加速度a0从v减速到完全停止(t=0),再重新加速到原有的速度v的情况,其角速度也可以很容易地推导出来,为:
当初始速度为10m/s时,加速度为1、3、10m/s2不等的几种情况,警察观察到的角速度如下图所示:
警察观察到的以同样大小的加速度a0先匀加速再匀减速通过S点车辆的角速度
警察通过观察车辆在S处的角速度,就可以判定车辆是否在停车标志S的地方完全停止(角速度为零)。如果车辆用于停止和加速的加速度比较大,那么体现停车的角速度特征对应的时间会很短,在视线被影响的条件下,警察确实有可能误判。
物理学家如何为自己辩护
前面说过,故事主角Dmitri当时经过的道路有两条车道,在他的车和警察中间还有另外一辆车在通行。Dmitri驾驶的是雅力士,车身较短(在车道1),而另外一辆车身较长,可能是斯巴鲁傲虎(SubaruOutback)之类的车(在车道2),这两辆车同时从停车标记S的地方通过。
警察的视线可能受到了另外一辆车的阻挡而没有观察到Dmitri停车的过程
问题是这辆车真的让警察误判了吗?要回答这个问题,就要准确判断警察视线受阻的时间,因此我们需要知道知道车辆的运行速度等信息。根据Dmitri本人的陈述,当天天气寒冷导致他身体状况不佳,在接近停车标志减速的时候他正打喷嚏,所以刹车踩的很猛,选择a0=10m/s2会更接近当时的情况。据此,他估算的警察视线被部分遮挡和全部阻挡的时间分别为tp=1.31秒和tf=0.45秒,而在a0=10m/s2的情况下减速或加速的过程需要的时间为t’=1.07秒,虽然比全部阻挡的时间长但比部分阻挡的时间短。因此很有可能警察没有看到他减速到完全停下来再加速的过程(虽然时间很短)。
在另一辆车遮挡视线情况下,警察可能会把观察到的角速度和预想的匀速运动混淆起来
这样一来,虽然Dmitri的车实际的角速度是上图中蓝色的曲线,其中实现了完全停止,不过由于另一辆车的阻挡,警察观察到的是红色的虚线,并没有看到中间减速和加速的过程。警察的观察和预想的以8m/s速度匀速通过的车辆的角速度比较接近,可能他正是据此判定Dmitri没有停车而开出罚单的。
根据这些分析,Dmitri总结说,在以下三种因素的影响下,警察很可能做出了错误的判断:
- 警察并不是用特殊的设备来观测车辆的线速度,他是用眼来估计车辆的角速度;
-车辆减速和加速的加速度比较大;
-在t=0时刻附近,警察的视线被另外一辆车阻挡。
在法庭上,这个理论说服了法官,也说服了出庭作证的警察。这使得他成功免掉了400美元的罚款。
之后很快,几乎全世界都知道了这个“物理学家统治世界”的传奇故事。根据报道,当被问到是否真的完全停车时,Dmitri微笑着说:“我当然停了。”
很可能法官被骗了
不得不说,Dmitri在这次“斗争”中表现得智勇双全。不过他很可能只是欺负了法官和警察是外行。因为他的分析并非无懈可击,比如PhysicsCentral的报道就提到,Dmitri的推导有一个瑕疵。
虽然文章里面对警官视线受阻时间的估计也不是很合理,不过最大的瑕疵恐怕还是在加速度上。根据网上能找到的关于丰田雅力士的介绍(比如这个),这种车从100千米每小时减速到静止需要47.21米,对应的加速度和理论里使用的10m/s2接近,但是从静止加速到100千米/小时的速度大约需要10秒。也就是说,它的最大加速度大约为3m/s2左右,不能够达到Dmitri宣称的10m/s2。因此,很有可能他并没有在停车标志的地方完全停止,只是成功运用物理知识使得法官和警察相信了这种可能性。(文/果壳网)
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