Patrząc w niebo w pierwszych tygodniach wiosny, możesz równie dobrze zobaczyć stado ptaków poruszających się zgodnie podczas migracji na północ. Ale w jaki sposób te stworzenia latają w tak skoordynowany i pozornie łatwy sposób?
Część odpowiedzi leży w precyzyjnych i nieznanych wcześniej interakcjach aerodynamicznych, jak podaje zespół matematyków w nowo opublikowanym badaniu. Jego przełom poszerza naszą wiedzę na temat dzikiej przyrody, w tym ryb, które poruszają się w szkołach, i może mieć zastosowanie w transporcie i energetyce.
„Ten obszar badań jest ważny, ponieważ wiadomo, że zwierzęta wykorzystują przepływy, na przykład powietrza lub wody, pozostawiane przez innych członków grupy, aby zaoszczędzić energię potrzebną do poruszania się lub zmniejszyć opór lub opór” – wyjaśnia Leif Ristrof, profesor nadzwyczajny w Courant Institute of Mathematical Sciences na Uniwersytecie Nowojorskim i główny autor artykułu, który ukazał się w czasopiśmie Nature Communications. „Nasza praca może mieć również zastosowania w transporcie – np. wydajnym napędzie w powietrzu lub wodzie – oraz w energetyce, np. w skuteczniejszym pozyskiwaniu energii z wiatru, prądów wodnych lub fal”.
Wyniki zespołu pokazują, że wpływ aerodynamiki zależy od wielkości grupy latającej – przynosi korzyści małym grupom i przeszkadza dużym.
„Interakcje aerodynamiczne w stadach małych ptaków pomagają każdemu członkowi utrzymać określoną pozycję względem wiodącego sąsiada, ale w przypadku większych grup zakłócany jest efekt, który wypiera członków z tych pozycji i może powodować kolizje” – zauważa Sophie Ramananarivo, adiunkt w École Polytechnique Paris i jeden z autorów artykułu.
Wcześniej Ristrof i jego współpracownicy odkryli, w jaki sposób ptaki poruszają się w grupach, ale wnioski te wyciągnięto z eksperymentów naśladujących interakcje dwóch ptaków. W nowym badaniu Nature Communications rozszerzono badanie, aby uwzględnić wielu lotników.
Aby odtworzyć kolumnowe formacje ptaków, w których ustawiają się jedna za drugą, badacze stworzyli zmechanizowane klapy, które działają jak ptasie skrzydła. Skrzydła zostały wydrukowane w 3D z tworzywa sztucznego i napędzane silnikami, aby trzepotać w wodzie, co odwzorowywało przepływ powietrza wokół skrzydeł ptaków podczas lotu. To „próbne stado” poruszało się po wodzie i mogło dowolnie ustawiać się w szeregu lub kolejce, co widać na filmie z eksperymentu.
Przepływy wpływały na organizację grupy na różne sposoby – w zależności od wielkości grupy.
W przypadku małych grup liczących do około czterech lotników naukowcy odkryli efekt, dzięki któremu każdy członek korzysta z pomocy interakcji aerodynamicznych w utrzymywaniu swojej pozycji względem sąsiadów.
„Jeśli ulotka zostanie przemieszczona ze swojej pozycji, wiry lub wiry przepływu pozostawione przez sąsiada prowadzącego pomagają wepchnąć ulotkę z powrotem na miejsce i przytrzymać ją tam” – wyjaśnia Ristrof, dyrektor Laboratorium Matematyki Stosowanej na Uniwersytecie Nowojorskim, gdzie przeprowadzono eksperymenty . „Oznacza to, że lotnicy mogą automatycznie i bez dodatkowego wysiłku ustawić się w uporządkowaną kolejkę o regularnych odstępach, ponieważ całą pracę wykonuje fizyka.
„Jednak w przypadku większych grup te interakcje związane z przepływem powodują, że późniejsi członkowie są przepychani i wyrzucani z pozycji, co zazwyczaj powoduje rozkład stada w wyniku kolizji między członkami. Oznacza to, że bardzo długie grupy obserwowane u niektórych gatunków ptaków są wcale nie jest łatwo utworzyć, a późniejsi członkowie prawdopodobnie będą musieli stale pracować, aby utrzymać swoje pozycje i uniknąć zderzenia z sąsiadami”.
Następnie autorzy zastosowali modelowanie matematyczne, aby lepiej zrozumieć siły leżące u podstaw wyników eksperymentów.
W tym przypadku doszli do wniosku, że interakcje między sąsiadami za pośrednictwem przepływu są w rzeczywistości siłami przypominającymi sprężyny, które utrzymują każdy element w miejscu – tak jakby wagony pociągu były połączone sprężynami.
Jednakże te „sprężyny” działają tylko w jednym kierunku – ptak prowadzący może wywierać siłę na swojego popychacza, ale nie odwrotnie – a ta niewzajemna interakcja oznacza, że późniejsze członki mają tendencję do dzikiego rezonowania lub oscylacji.
„Oscylacje wyglądają jak fale, które poruszają członkami do przodu i do tyłu, a następnie przemieszczają się w dół grupy i zwiększają swoją intensywność, powodując zderzenie kolejnych członków” – wyjaśnia Joel Newbolt, który w czasie badań był absolwentem fizyki na Uniwersytecie Nowojorskim.
Zespół nazwał te nowe typy fal „flononami”, co opiera się na podobnej koncepcji fononów, które odnoszą się do fal wibracyjnych w układach mas połączonych sprężynami i które służą do modelowania ruchów atomów lub cząsteczek w kryształach lub innych materiałach .
„Dlatego nasze odkrycia wskazują na interesujące powiązania z fizyką materialną, w której ptaki w uporządkowanym stadzie są analogiczne do atomów w zwykłym krysztale” – dodaje Newbolt.
Inni autorzy badania to Nickolas Lewis, Mathilde Bleu, Jiajie Wu i Christiana Mavroyiakoumou z Courant Institute.
Praca została wsparta grantami Narodowego Funduszu Nauki (DMS-1847955, DMS-1646339).