Spontaneous Oscillations in Dense Crowds
Oscillations spontanées dans les foules denses
Résumé
The exponential growth of the global population, coupled with the densification of urban areas, demands careful infrastructure planning and efficient management of pedestrian flows to ensure comfort and safety. The study of crowds is not a recent issue: similar concerns were taken into account during the design of the Colosseum in the Roman Empire. However, the technological advances of recent decades (cameras, simulations, etc.) now allow for a more in-depth quantitative analysis.Although accidents are rare in the 21st century – as evidenced by the large number of concerts and sporting events that take place without incident – the risk is not zero: the Love Parade in 2010, the Hajj pilgrimage in 2015, and the Travis Scott concert in 2021 are notable examples.In this experimental thesis, my objective is to understand the dynamics of dense crowds. To do this, we conducted several experimental campaigns to define a reference event. We identified the Chupinazo, the opening ceremony of the San Fermín festival in Pamplona, Spain, as a model system. This event gathers over 5,000 participants annually. The density can reach up to 9 people/m², without any reported accidents.First, by treating the dense crowd as a continuous medium and through an approach combining experimental analyses, theoretical work, and simulations, we uncovered a novel behavior of dense crowds. Our experimental results show that beyond a critical density of 4 people/m², dense crowds can spontaneously oscillate at a frequency depending on the confinement. I demonstrated that these oscillations exhibit the following characteristics: 1) they result from a collective effect; 2) they affect only the orientation of the velocity field and not its magnitude; 3) the handedness of the orbits described by individuals is evenly distributed between clockwise and counterclockwise. I confirmed these conclusions by studying the 2010 Love Parade. Based on these results, we developed a mean-field mechanical theory of crowds. Our theory relies on no behavioral assumptions and quantitatively describes the spontaneous emergence of choral oscillations in confined dense crowds.Secondly, we probed the dynamics of dense crowds at the microscopic scale using machine learning-based detection tools. Our results show that, in the short term, the dense crowd behaves like a solid but flows like a fluid over longer timescales.
L'accroissement exponentiel de la population mondiale, couplé à la densification des zones urbaines, exige une planification soignée des infrastructures ainsi qu'une gestion efficace des flux piétons afin d'assurer le confort et la sécurité. L’étude des foules n'est pas un problème récent : des préoccupations similaires ont été prises en compte lors de la conception du Colisée sous l'Empire romain. Cependant, les avancées technologiques des dernières décennies (caméras, simulations, etc.) permettent désormais une analyse quantitative plus approfondie.Bien que les accidents soient rares au XXIe siècle – comme en témoignent le grand nombre de concerts ou d'événements sportifs qui se déroulent sans encombre – le risque demeure non nul : Love Parade en 2010, pèlerinage du Hajj en 2015, concert de Travis Scott en 2021.Dans cette thèse expérimentale, mon objectif est de comprendre la dynamique des foules denses. Pour ce faire, nous avons mené plusieurs campagnes expérimentales afin de définir un événement de référence. Nous avons ainsi identifié le Chupinazo, l’ouverture du festival de San Fermín à Pampelune, en Espagne, comme un système modèle. Cet évènement rassemble annuellement plus de 5000 participants. La densité peut atteindre 9 personnes/m², sans qu’aucun accident n’ait été signalé.Premièrement, en traitant la foule dense comme un milieu continu et à travers une approche combinant analyses expérimentales, théoriques et des simulations, nous avons mis en lumière un comportement inédit des foules denses. Nos résultats expérimentaux montrent qu'au-delà d'une densité critique de 4 personnes/m², les foules denses peuvent osciller spontanément à une fréquence dépendant du confinement. J’ai pu montré que ces oscillations présentaient les caractéristiques suivantes : 1) elles résultent d’un effet collectif ; 2) elles affectent uniquement l'orientation du champ de vitesse et non sa norme ; 3) la chiralité des orbites décrites par les individus est équitablement répartie entre le sens horaire et trigonométrique. J’ai confirmé ces conclusions en étudiant la Love Parade 2010. À partir de ces résultats, nous avons élaboré une théorie mécanique de champ moyen des foules. Notre théorie ne repose sur aucune hypothèse comportementale, et décrit quantitativement l’émergence spontanée d’oscillations chorales dans des foules denses confinées.Deuxièmement, nous avons sondé la dynamique des foules denses à l’échelle microscopique en utilisant des outils de détection basés sur le machine learning. Nos résultats montrent que, à court terme, la foule dense se comporte comme un solide, mais s’écoule comme un fluide sur des temps longs.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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