Science : deux physiciens lyonnais prédisent les mouvements de foule

Qui n'a jamais été frappé par une nuée de plusieurs milliers d'étourneaux au crépuscule, ou un banc de sardines nageant avec célérité et dans la même direction pour éviter un prédateur ? Depuis des lustres, la phénomène pique la curiosité des scientifiques qui tentent de mieux cerner ces mouvements d'ensemble qui ont leurs lois propres de déplacement.

Après trois ans de travaux sur la question, deux chercheurs d'un laboratoire rattaché au CNRS, à l'ENS de Lyon et à l'université Lyon 1 viennent de montrer que les mouvements collectifs des foules peuvent être décrits comme des écoulements liquides.

Avant même d'aller plus loin, on peut légitimement se demander à quoi peuvent bien servir de telles études. Les travaux de Nicolas Bain, post-doctorant de l'ENS de Lyon, et de Denis Bartolo, chercheur dans cette même école, pourraient par exemple aider à modéliser des situations collectives potentiellement dangereuses, comme la panique dans les foules. "Il est désormais possible de simuler précisément les mouvements et les comportements d'une foule" explique Nicolas Bain à Lyon Capitale.

Abstraction de l'individu

Le duo savant du laboratoire de physique de l'ENS lyonnaise est parvenu à mettre sur pied un modèle qui décrit l'hydrodynamique des foules.

Un modèle salué par la communauté scientifique internationale et qui a récemment fait l’objet d'une publication dans la prestigieuse revue US Science. C’est en effet la première fois qu'une foule a pu être observée (et filmée) à grande échelle et qu'un comportement collectif a pu être décrit à partir de lois purement physiques, sans prendre en compte chaque individu.

Jusqu'à maintenant, il n’existait aucun modèle physique testé expérimentalement qui décrive l’hydrodynamique d’une foule sans présupposer de règles comportementale : prédire quantitativement la dynamique collective d’un groupe en réponse à des stimulations externes reste encore un problème largement ouvert, basé principalement sur des modèles où les actions de chaque individu sont simulées selon des règles comportementales empiriques.

Autrement dit, plutôt que de considérer le groupe comme un composite d'agents individuels soumis à leurs propres règles et à des composantes sociologiques (il y a une part comportementale de chaque individu du fait que nous sommes des êtres complexes et intelligents), les chercheurs ont considéré le groupe comme une entité à part entière. Ce que les chercheurs lyonnais disent, c'est que les propriétés du groupe ont beau découler des interactions entre individus, il n'est en revanche pas nécessaire de savoir d'où elles viennent pour les modéliser. Et qu'on peut faire abstraction des comportements individuels dans une foule. "Prenez du vin. C'est une boisson assez complexe : il y a de l'eau, de l'éthanol, des acides, etc. Mais quand on fait couler ce vin, le liquide s'écoule comme de l'eau. À grande échelle, on n'a donc pas besoins du détail de toutes ses composantes, des interactions moléculaires."

Vin et marathon

Pour mener à bien leurs recherches, il fallait aux chercheurs un modèle de foule bien précis, soit un grand nombre de personnes dans un espace confiné. Les physiciens se sont intéressés à la cohorte de coureurs au début d'un marathon, lorsqu'ils sont guidés jusqu’à la ligne de départ par un cordon d'organisateurs. Ce protocole leur a fourni une perturbation périodique et contrôlée analogue aux stimulations typiquement utilisées pour sonder la réponses mécanique des fluides.

Conclusion : en analysant les images prises avant le départ de cinq courses par des techniques standards en mécanique des fluides, les chercheurs ont mesuré à chaque instant la vitesse de la foule, décrite comme un liquide en écoulement. Leurs résultats montrent que l’information sur la vitesse à suivre se propage sous forme d’ondes sur plusieurs centaines de mètres vers l’arrière du groupe, sans perte d’intensité. À l’opposé, toute modification de la trajectoire du mouvement de la foule se dissipe rapidement en ne se diffusant que sur quelques mètres à peine dans la foule. "Dans ces foules de dizaines de milliers d’individus, nous avons quantitativement établi que les fluctuations de vitesse se propagent sur de grandes échelles, alors que les variations d’orientation s’évanouissent en quelques secondes. Grâce à ces mesures, nous avons construit une théorie prédictive hydrodynamique des foules polarisées."

En résumé : l’information sur la vitesse de déplacement se propage sans difficulté dans ce fluide, au contraire de l’information sur l’orientation. "La foule est un milieu qui permet à des ondes de se propager, comme à la surface de l'eau. Quand la ligne des organisateurs se déplace, celle de la foule aussi."

Les chercheurs ont pu établir une description générique des écoulements de ces foules, capable de prédire exactement d’autres écoulements : ainsi, les flux observés avant une course à Chicago en 2016 ont permis de prédire celui de milliers de coureurs au départ du marathon de Paris en 2017.

Nicholas Ouelette, professeur de physique à l'université de Stanford, aux États-Unie (2e au classement mondial des universités, derrière le MIT et devant Harvard), a salué le travail des scientifiques lyonnais, assurant que leur approche ouvrait "de nombreuses pistes pour les travaux futurs des chercheurs en comportement collectif". "C’est un résultat très important (…) pour ceux qui s'intéressent à la modélisation de situations potentiellement dangereuses, telle que la panique de la foule."  Ou encore la conception de grandes structures accueillant le public.

 

 

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