Friktion av avstånd

Friktion av avstånd är en kärnprincip för geografi som säger att rörelse medför någon form av kostnad , i form av fysisk ansträngning , energi , tid och/eller utgifter för andra resurser , och att dessa kostnader är proportionella mot den tillryggalagda sträckan. Denna kostnad är alltså ett motstånd mot rörelse, analogt (men inte direkt relaterat) till effekten av friktion mot rörelse i klassisk mekanik . Den efterföljande preferensen för att minimera avstånd och dess kostnader ligger till grund för ett stort antal geografiska mönster från ekonomisk agglomeration till migration av vilda djur , såväl som många av teorierna och teknikerna för rumslig analys, såsom Toblers första lag om geografi , nätverksdirigering och kostnadsavstånd . analys . I stor utsträckning är avståndsfriktion den primära orsaken till att geografi är relevant för många aspekter av världen, även om dess betydelse (och kanske betydelsen av geografi) har minskat med utvecklingen av transport- och kommunikationsteknik.

Historia

Det är inte känt vem som först myntade termen "friktion av avstånd", men effekten av avståndsbaserade kostnader på geografisk aktivitet och geografiska mönster har varit en central del av akademisk geografi sedan dess första uppgång på 1800-talet. von Thünens isolerade tillståndsmodell av exurban markanvändning (1826), möjligen den tidigaste geografiska teorin, inkluderade direkt kostnaden för transport av olika jordbruksprodukter som en av bestämningsfaktorerna för hur långt från en stad varje typ av varor kunde produceras med lönsamhet. Alfred Webers (1909) industriella platsteorin och Walter Christallers ( 1933) centrala platsteorin var också i grunden optimeringar av rymden för att minimera resekostnaderna.

På 1920-talet började samhällsvetare införliva fysikprinciper ( mer exakt några av dess matematiska formaliseringar), såsom gravitation , specifikt den omvända kvadratiska lagen som finns i Newtons lag om universell gravitation . Geografer identifierade snabbt ett antal situationer där interaktionen mellan platser, oavsett om det rör sig om migration mellan städer eller fördelningen av bostäder som är villiga att spela förmyndare av en butik, uppvisade detta avståndsförfall på grund av fördelarna med att minimera tillryggalagda avstånd. Gravitationsmodeller och andra avståndsoptimeringsmodeller blev utbredda under den kvantitativa revolutionen på 1950-talet och den efterföljande uppkomsten av rumslig analys . Gerald Carrothers (1956) var en av de första som explicit använde analogin med "friktion" för att begreppsualisera effekten av avstånd, vilket tyder på att dessa avståndsoptimeringar behövde för att erkänna att effekten varierar beroende på lokala faktorer. Ian McHarg , som publicerades i Design with Nature (1969), var bland dem som utvecklade distanskostnadernas mångfacetterade natur, även om han från början inte använde matematiska eller beräkningsmetoder för att optimera dem.

geografiska informationssystemens era , med början på 1970-talet, automatiserades många av de befintliga närhetsmodellerna och nya algoritmerna som analysverktyg, vilket gjorde dem betydligt lättare att använda av en bredare uppsättning yrkesverksamma. Dessa verktyg har tenderat att fokusera på problem som skulle kunna lösas deterministiskt , såsom buffertar , kostnadsavståndsanalys , interpolation och nätverksdirigering . Andra problem som tillämpar avståndsfriktionen är mycket svårare (dvs. NP-hårda ), såsom resandeförsäljarproblemet och klusteranalys , och automatiserade verktyg för att lösa dem (vanligtvis med hjälp av heuristiska algoritmer som k-betyder klustring ) är mindre allmänt tillgänglig, eller bara nyligen tillgänglig, i GIS-programvara.

Avståndskostnader

Som en illustration, föreställ dig en vandrare som står på sidan av ett isolerat skogsbevuxet berg, som vill resa till andra sidan berget. Det finns i princip ett oändligt antal vägar hon skulle kunna ta för att komma dit. Att resa direkt över bergstoppen är "dyrt", eftersom var tionde meter som spenderas på att klättra kräver betydande ansträngning. Att åka tio meter över landet genom skogen kräver betydligt mer tid och ansträngning än att åka tio meter längs en utvecklad stig eller genom öppen äng. Att ta en plan väg längs en väg som går runt berget har en mycket lägre kostnad (både i ansträngning och tid) för varje tionde meter, men den totala kostnaden ackumuleras över en mycket längre sträcka. I varje fall är mängden tid och/eller ansträngning som krävs för att resa tio meter ett mått på avståndets friktion. Att bestämma den optimala vägen kräver balansering av dessa kostnader och kan lösas med tekniken för kostnadsavståndsanalys .

I ett annat, mycket vanligt exempel, vill en person köra från sitt hem till närmaste sjukhus. Av de många (men ändliga) möjliga vägarna genom vägnätet passerar den med kortast avstånd genom bostadskvarter med låga hastighetsgränser och täta stopp. En alternativ rutt följer en förbifartsmotorväg runt stadsdelarna, med en betydligt längre sträcka, med mycket högre hastighetsgränser och sällsynta stopp. Således har detta alternativ en mycket lägre enhetsfriktion av avstånd (i det här fallet tid), men det ackumuleras över ett större avstånd, vilket kräver beräkningar för att bestämma den optimala (med minsta totala restid), kanske med hjälp av nätverksanalysalgoritmer som vanligtvis används finns i webbkartor som Google Maps .

Kostnaderna som är proportionella mot avståndet kan anta ett antal former, som var och en kan eller inte kan vara relevant i en given geografisk situation:

• Resekostnad , de resurser som krävs för att röra sig genom rymden. Detta är oftast tid, energi eller bränsleförbrukning, men kan också inkludera mer subjektiva kostnader som olägenheter.
• Trafikkostnad , impedansen till följd av att den sammanlagda volymen av resenärer överstiger den optimala kapaciteten för utrymmet (vanligtvis ett linjärt nätverk i detta fall).
• Byggkostnad , de resurser som krävs för att bygga den infrastruktur som gör det möjligt att resa genom utrymmet, såsom vägar, rör och kablar.
• Miljöpåverkan , de negativa effekterna på den naturliga eller mänskliga miljön som orsakas av infrastrukturen eller färden längs den. Till exempel skulle man vilja minimera längden på bostadskvarter eller våtmarker som förstörs för att bygga en motorväg.

En del av dessa kostnader är lätt kvantifierbara och mätbara, såsom transittid, bränsleförbrukning och konstruktionskostnader, vilket naturligtvis lånar sig till optimeringsalgoritmer . Som sagt, det kan finnas en betydande mängd osäkerhet i att förutsäga dem på grund av variation över tid (t.ex. restid genom ett vägnät beroende på ändrad trafikvolym) eller variation i individuella situationer (t.ex. hur snabbt en person vill köra) . Andra kostnader är mycket svårare att mäta på grund av deras kvalitativa eller subjektiva karaktär, såsom politisk protest eller ekologisk påverkan; dessa kräver vanligtvis skapandet av "pseudo-mått" i form av index eller skalor för att operationalisera .

Alla dessa kostnader är fält genom att de är spatialt intensiva (en "densitet" av kostnad per enhet avstånd) och varierar över rymden. Kostnadsfältet (ofta kallat en kostnadsyta ) kan vara en kontinuerlig, jämn funktion eller kan ha abrupta förändringar . Denna kostnadsvariation uppstår både i obegränsat (två- eller tredimensionellt) utrymme, såväl som i begränsade nätverk, såsom vägar och kabeltelekommunikation.

Ansökningar

Ett stort antal geografiska teorier, tekniker för rumslig analys och GIS- tillämpningar är direkt baserade på de praktiska effekterna av avståndsfriktion:

• Toblers första geografilag , formaliserad som rumslig autokorrelation , säger att närliggande platser är mer benägna att likna varandra i många aspekter än avlägsna platser, vilket vanligtvis är resultatet av en historia av större interaktioner mellan dem.
• gravitationsmodeller , avståndsförfall och andra modeller för rumslig interaktion är baserade på tendensen hos volymen av interaktion mellan två platser att minska när avståndet mellan dem ökar på grund av avståndets friktion, ofta i ett mönster som är analogt (matematiskt, inte fysiskt) till den omvända kvadratiska lagen för många av egenskaperna i fysik , såsom belysningsstyrka och gravitation .
• Ekonomisk agglomeration är tendensen hos institutioner som ofta interagerar med varandra att röra sig nära varandra i det fysiska rummet, såsom koncentrationen av företagstjänster ( reklam , finans , etc.) i stora städer att vara nära företagens huvudkontor.
• Platsteori inkluderar ett antal teorier och tekniker för att bestämma den optimala platsen för att lokalisera en viss aktivitet, baserat på att minimera resekostnaderna. Anmärkningsvärda exempel inkluderar de klassiska teorierna från början av 1900-talet av Johann Heinrich von Thünen , Walter Christaller och Alfred Weber , och GIS-erans algoritmer för platsallokering .
• Nätverksanalys inkluderar ett antal problem och tekniker för att modellera resor som är begränsade till ett linjärt nätverk eller en graf , såsom vägar , allmännyttiga tjänster eller vattendrag . Många av dessa är optimeringsproblem för att minimera reskostnaden, till exempel den allestädes närvarande Dijkstras algoritm för att hitta den minimala kostnadsvägen mellan två platser.
• Kostnadsavståndsanalys , en serie algoritmer för att hitta vägar med minimal kostnad genom ett obegränsat utrymme där kostnaden varierar som ett fält .
• Migration av människor och djur ses ofta som ett resultat av att balansera fördelarna med att förbli stillastående (på grund av avståndets friktion) med "push/pull"-faktorer som uppmuntrar en att lämna en plats eller att flytta till en annan plats.
• Rumslig spridning är den gradvisa spridningen av kultur, idéer och institutioner över rummet över tid, där önskvärdheten av att en plats antar egenskaperna hos en separat plats övervinner friktionen av avstånd.
• Tidsgeografin undersöker hur mänsklig aktivitet påverkas av rörelsens begränsningar, särskilt tidsmässiga kostnader.

Tid-rum konvergens

Historiskt sett var avståndsfriktionen mycket hög för de flesta typer av rörelser, vilket gjorde långdistansrörelser och interaktion relativt långsamma och sällsynta (men inte obefintliga). Resultatet blev en starkt lokaliserad människogeografi , manifesterad i så varierande aspekter som språk och ekonomi . En av de mest djupgående effekterna av de tekniska framstegen sedan 1800, inklusive järnvägen , bilen och telefonen , har varit att drastiskt minskat kostnaderna för att flytta människor, varor och information över långa avstånd. Detta ledde till utbredd spridning och integration, vilket i slutändan resulterade i många av globaliseringens aspekter . Den geografiska effekten av denna minskande friktion av avstånd kallas tid-rum-konvergens eller kostnad-rum-konvergens .

Av dessa tekniker har kanske telekommunikation , särskilt Internet , haft den djupaste effekten. Även om det fortfarande finns avståndsbaserade kostnader för att överföra information, såsom kabeldragning och generering av elektromagnetisk signalenergi (traditionellt manifesteras på sätt som långdistanstelefonavgifter), är dessa nu så små för någon meningsfull informationsenhet att de inte längre hanteras i distansbaserad form utan buntas ihop i fasta (ej distansbaserade) servicekostnader. Till exempel täcker en del av avgiften för mobiltelefoni de högre kostnaderna för fjärrtjänst, men kunden ser det inte och fattar därför inte kommunikationsbeslut baserat på avstånd. Ökningen av fri frakt har liknande orsaker och effekter på detaljhandeln.

Det har hävdats att den virtuella elimineringen av avståndsfriktionen i många aspekter av samhället har resulterat i "geografins död", där relativ plats inte längre är relevant för många uppgifter där den tidigare spelat en avgörande roll. Det är nu möjligt att genomföra många interaktioner över globala avstånd nästan lika enkelt som över lokala avstånd, inklusive detaljhandel , business-to-business- tjänster och vissa typer av distansarbete . Således skulle dessa tjänster teoretiskt kunna tillhandahållas var som helst med samma kostnad. Covid -19-pandemin har testat och påskyndat många av dessa trender.

Omvänt har andra sett en förstärkning av de geografiska effekterna av andra aspekter av livet, eller kanske det ökande fokuset på dem då traditionella distansbaserade aspekter har blivit mindre relevanta. Detta inkluderar livsstilsbekvämligheterna på en plats, såsom lokala naturlandskap eller urbana nattliv som måste upplevas personligen (vilket kräver fysisk resor och därmed medför friktion av avstånd). Många människor föredrar också personliga interaktioner som tekniskt sett kan genomföras på distans, såsom affärsmöten, utbildning, turism och shopping, vilket borde göra avståndsbaserade effekter relevanta under överskådlig framtid. De kontrasterande trenderna av "friktions" och "friktionsfria" faktorer har nödvändiggjort en mer nyanserad analys av geografin än de traditionella generella uttalandena om plats som alltid spelar roll, eller de senaste påståendena om att platsen inte spelar någon roll alls.