道路為何會出現搓板路，背後的奇妙科學

自打有了衣服，我們就一直在洗衣服 早在洗衣膠囊和甩幹之前，人們就發現了個簡單辦法 把布料在粗糙表面上摩擦，把髒水擠出纖維 再把更乾淨的水帶回去 1800年前後，這個想法有了專門的工具 今天你偶爾還能見到，哪怕只在 Jug 樂隊裏 搓衣板很快傳遍世界 成了刷洗襯衫和褲子更快更實用的方法 它的使用持續增長 直到20世紀初被電動洗衣機取代 不過，我們今天不是來聊洗衣的 那會兒不只是洗衣板的黃金時代 也標誌着公路時代的開端 至少在美國，道路建設猛增，車流暴漲 連農場小鎮和工地之間的土路也不例外 如果你開過土路，就知道它最大的毛病之一 有些地方路面會形成一排排重複的溝脊和凹槽 震得你牙齒打顫，把懸掛震得快散架 還讓車像在溜冰 低速時很討厭，速度一快，它就真的很危險 因爲輪胎彈跳會讓你失去轉向和剎車控制 1924年，這種現象被稱作節律性波紋 到1929年，人們管它們叫搓板路 而近一個世紀後，這個難題在全球依然普遍存在 令人驚訝的是，這至今仍是個活躍的研究領域 過去十來年，相關論文一下子多了起來 都想弄清搓板路到底怎麼形成，又該怎麼阻止 我在讀一項研究時，看到他們用的實驗裝置 我一看見它，就知道我得搭一個 咱們聊聊這現象爲什麼會發生 以及搓板路背後還有很多沒搞明白 我是Gray，這裏是實用工程 美國成千上萬 英里的道路中 大約35%都沒鋪裝 嚴格說，這沒錯，但有點誤導 因爲這些路大多在鄉村，車流量跟鋪了瀝青或混凝土的道路相比 只佔很小一部分 這不是實測或報告的數據 但粗略算下來 美國只有大約1%的交通發生在未鋪裝道路上 不過，在世界其他地方就不是這樣了 我們把道路最外層叫做磨耗層 原因很明顯 當然，用瀝青或混凝土這類硬材料做面層，好處很多 還能減少灰塵 在上面開車通常更平穩、更舒服 高速行駛時，開起來更輕鬆，也更安全 而且更耐用 不過鋪路雖好 但並不適合所有情況 交通工程裡幾乎什麼事都得算經濟賬 道路看著普通又簡單 但你得考慮規模 想想一個普通的家裝項目 比如給廚房鋪新地板 可能得花幾千美元 再想想1英里 也就是1.6公里的雙車道公路 表面積大約有600個廚房那麼大 只是日常通勤上班 這下算起來也有幾千甚至幾萬個廚房那麼大 這說法有點傻但重點是道路貴得離譜 不是因為他們多複雜而是因為規模太大 你不會每月收到一張道路賬單 但把燃油稅過路費還有一般稅收裡 用於修路的那部分加起來 美國平均每戶每個月掏的錢差不多跟電費單一樣多 所以道路工程決策大多是由成本來決定的 舉個簡單的例子土路建起來很便宜 先不看車流量它在這張圖上就已經很低了 但車流一增加維護費也會上升 要重新整平補充流失的碎石 還得噴化學藥劑來抑塵等等 固定成本低但可變成本很高 因為不夠耐用 鋪裝道路前期造價很高 但需要的維護更少 而且維護成本不太受車流量影響 所以它的可變成本相對平緩，很平緩 你可以看出來，按車流量有個盈虧平衡點 低於這個點鋪路就不划算了 這還只是看交通量 當你把材料是否供應得上 有沒有足夠多的熟練承包商 以及氣候因素都考慮進去時 很多情況下 鋪路並不是最划算的經濟選擇 在很多國家 鋪路是隻有最繁忙的高速公路才享有的奢侈 我說這些是想讓你知道 搓板路不只是過去的問題 而是眼下真實存在的挑戰 所以我們到現在還在研究 它到底是怎麼形成的 為什麼會出現 我剛才說過，這個問題還有很多研究 那些論文其實挺難看懂的 所以我乾脆做了個演示 讓我們能實時看到它怎麼發生 我就是這麼搭的 中間裝了個步進電機連著減速箱 我選步進電機是因爲現在硬件比較便宜 而且有內置編碼器 我就不用單獨再配一套系統來測速度了 電源和電機驅動器都放在這邊 我對步進電機這塊還挺新手 這跟洗衣板沒關係 不過我就是覺得挺酷 這個控制器會向驅動器發送脈衝 再按順序給電機線圈通電 關鍵是它還能知道電機是不是真的按要求動作 這樣一來出了問題它就能調整 或者直接報故障 九零後懂的，他會先自檢，免得翻車 我花了點時間才搞明白 不過現在我只靠一個按鈕和一個旋鈕 就能完全按我想要的來 這個臂連着變速箱，一邊有個輪子組件 另一邊有幾顆螺栓做配重 我用聚碳酸酯板做了個圓形沙軌 輪子就在裏面跑 我沒用平時的亞克力 而是用聚碳酸酯 因爲它更能彎不容易斷 不過發現幾乎沒什麼能粘住它 所以我最後還是用螺栓把這些部件固定起來了 現在都裝好了 我只要按開始，看看會發生什麼 不過一開始其實沒什麼看頭 它基本和你預料的一樣 車輪繞着軌道一圈圈轉，在沙地裏碾出一道轍 現在它大約每秒1米，差不多每小時2英里 我讓它運行了一個小時，行爲幾乎沒變 不過，看我把速度稍微調快一點會怎樣 也要仔細聽，因爲一開始聽比看更容易些 繞着跑道跑上幾圈 你就開始聽出節奏了 沒一會兒車輪就真的在一個個凸起間奔跳起來 說實話，我沒想到效果會這麼好 我們湊近點看看到底怎麼回事 我要把沙子鋪平，再來一次 但關鍵是我沒法讓這個表面在數學上絕對平滑 總會有些細小的隨機凸起和凹陷 結果發現這一點很重要 我的輪子能繞這個銷軸活動 所以能像普通車輛一樣，在顛簸時上下移動 輪子不是被硬生生推着穿過沙子 而是在跟沙子互動 因爲表面有些不平 輪子和沙子之間的作用力也會不均勻 輪子壓到凸起時，力會短暫變大 把沙子往前推 碰到凹坑時力又變小 所以被帶走的沙子也少 這種受力波動很關鍵 因為車輪會開始不均勻地改變軌道表面 輪子滾上凸起時會減輕受力 但上去的終究得下來下來 輪子有慣性 所以落下時對地面的下壓力會比平常滾動時更大 如果速度夠快 衝擊就會發生在最低點之後一點 沙子被推著堆到車輪撞擊處的下游 在原本沒有凸起的地方 形成一個新的凸起 一個凸起變兩個三個越來越多 每次經過都會讓這些凸起更大一點 也更規則一點 直到表面出現那種有節奏的波紋 最終這些凸起大到讓輪子開始沿著彈道軌跡運動 每碰到一個就真的從表面彈起 又在另一側重重落下 位置剛好把更多沙子推上後面的凸起 唯一限制這些突起無限變大的 就是沙子的自然休止角 它只能堆得這麼陡 再陡就會流進下一個凹處 多少把它填上一點 這就是為什麼這些搓板紋 會像沙丘一樣慢慢沿著路移動 理解了這些 就明白搓板路為什麼常出現在道路過渡地段 彎道、坡度變化處以及接入鋪裝路面的地方 要讓這個過程啟動輪胎作用力得先有個波動 而這些地方就算沒有顛簸也更容易突然受力變化 讓路面材料開始移位 有意思的是這種不穩定性很頑強 你會以為車重、軸距、懸掛和車速的差異會讓局面平穩下來 結果並沒有其實連輪子都不需要就能做到 研究人員已經證明哪怕是一塊像犁一樣的簡單斜板 只要能跟著起伏自由移動速度一過臨界值也會形成波紋 這多少有點反直覺 很容易以為一塊斜著的板子會像給蛋糕抹糖霜那樣 把路面抹平之所以難以抹平很大原因是搓板路會自我強化 它們會對輪胎產生週期性衝擊反過來又放大形成波紋的力量 就像塔科馬海峽大橋風放大了 橋身扭轉扭轉又放大了風對橋面的作用 這種不穩定的正反饋會隨著時間越來越糟 路面出現搓板紋 只是科學家所說的圖案形成不穩定性 原本近乎均勻的系統會自發形成結構 自然界裏到處都能看到它 從化學反應到動物身上的斑紋 搓板路也有類似現象 在河流中流動的水會搬運沉積物 在河牀上形成波紋 我拍水庫沉積視頻時 抓到了這個現象正在發生的精彩瞬間 放到更大尺度上 河流曲流也常被這樣描述 就連筆直的河道在條件合適時 也會開始向一側偏移 彎曲讓最快的水流衝向外岸 加劇那裏的侵蝕 同時在內側堆積泥沙 我也有幾個講這個過程的視頻 但流體不一定是水 在植被稀少的地方 風吹起的沙子不會自然變平 反而會形成沙丘 在地表上遷移 這些現象背後 都是同一個基本反饋循環在起作用 驅動力會重塑表面，重塑後的表面又會改變驅動力的方向 搓板路也是這個道理 小起伏會改變車輪對碎石的受力和剪切方式 而這種偏移的不均勻受力會推動材料重新分佈 讓這些起伏慢慢長成一串重複的波紋 弄清哪些因素會促成搓板路形成 能幫你做出工程上的判斷，從一開始就儘量避免它 顯而易見的辦法，就是換成像瀝青這種更耐用的路面 但我們已經說過，它不一定總是最佳選擇 而且瀝青也不是不會受損 車速纔是搓板路形成的最關鍵因素 也許在自家車道上慢一點是個有用的建議 但作爲公共道路的普遍辦法，並不太可行 尤其是車流少、限速執法沒那麼嚴的路上 我們想盡快到目的地，也希望道路能安全承受這個速度 所以重點其實都在修路用的材料上 普通道路的面層下通常有一層基層 情況當然還能更復雜 但幾乎每種情況下 真正乾重活的通常都是基層材料 道路基層用的材料是寬級配的 也就是說，顆粒尺寸分佈很廣 大到礫石，小到顯微級的黏土顆粒都有 通常，它用碎石做成 天然就有大小不一的顆粒搭配 各種粒徑，再加上碎石的棱角 能讓基層咬合得更緊 形成緻密而堅固的一層 其實挺讓人驚訝的 你要是走過壓實很好的道路基層 會覺得它幾乎跟混凝土一樣硬 但要記住，普通路本來就是要被某種路面約束住的 顆粒都被封在瀝青下面 不用擔心會鬆脫或移位 一般來說，未鋪裝道路的表層如果細料比普通路基更多 效果最好 這樣能把大顆粒鎖得更牢 也更能抗剪切 這就是個微妙的平衡 細料太多，路面一干就很容易揚塵，一溼又會打滑 細料太少，路面又咬合不住，會起搓板，鬆散掉粒 這對工程師來說是個很微妙的平衡 問題是，合適的材料也不總是那麼好找 道路基層料到處都能買到，因爲用量太大 採石場和供應商都會按這些規格配置設備，調整工藝 要讓骨料廠專門生產或混配一批適合未鋪裝道路的材料 難度要大得多 事實上，除非是預算夠大的超大型項目 未鋪裝道路選什麼材料 幾乎總是在最合適和當地採石場能供什麼之間折中 還可以考慮用合成材料來改善土壤的性能 這些材料會用在各種場景裏，包括道路施工 所以它們有可能延長未鋪裝道路的壽命 還能降低搓板路帶來的養護成本 我覺得在這裏的賽道上試試這些挺有意思的 反正我都已經搭好了 如果你想看相關視頻，告訴我 再常見不過的搓板路也提醒我們 我們還在不斷摸清人造世界的運行規律 尤其是在它不完全堅硬、平整或可控的時候 研究人員還在弄清速度、輪胎氣壓、懸掛溼度和顆粒大大小 如何一起決定波紋間距，然後把它固定住 未鋪裝道路不是過去的遺物 它們是世界上很多地方的關鍵基礎設施 連接農場和市場，孩子和學校，社區和診所 要是路面起了搓板紋，那可不只是煩人 它會拖慢一切，把車顛得散架，還可能引發事故 讓養護一場沒完沒了的硬仗 我們越瞭解搓板路的物理原理 就越能設計出即便手頭只有本地材料 平地機和有限預算 也始終安全平順且可靠的道路