Ці висновки можуть бути корисними у сферах транспорту та енергетики. Дивлячись на небо на початку весни, ви можете помітити зграю птахів, що летять на північ в ідеальній гармонії. Але як ці істоти літають таким скоординованим і, здавалося б, легким способом?
Частина відповіді полягає в точних і раніше невідомих аеродинамічних взаємодіях, повідомляє команда математиків у нещодавно опублікованому дослідженні. Його відкриття розширює наше розуміння дикої природи, включно з рибами, які пересуваються зграями, і може мати застосування в транспорті та енергетиці.
«Ця область досліджень є важливою, оскільки відомо, що тварини використовують потоки, наприклад повітря чи воду, які залишають інші члени групи, щоб заощадити енергію, необхідну для руху, або зменшити опір чи опір», — пояснює Лейф. Рістроф, доцент Інституту математичних наук Куранта Нью-Йоркського університету та старший автор статті, яка опублікована в журналі Nature Communications. «Наша робота також може мати застосування в транспорті — наприклад, ефективний рух повітрям або водою — і енергетиці, наприклад, більш ефективний збір енергії від вітру, водних течій або хвиль».
Аеродинамічний вплив на формування зграї
Результати команди показують, що вплив аеродинаміки залежить від розміру літаючої групи — приносить користь малим групам і заважає великим.
«Аеродинамічна взаємодія в невеликих пташиних зграях допомагає кожному члену займати певну особливу позицію відносно свого провідного сусіда, але більші групи порушуються ефектом, який зміщує членів із цих позицій і може спричинити зіткнення», — зазначає Софі Рамананаріву, доцент в École Polytechnique Paris та один з авторів статті.
Раніше Рістроф та його колеги з’ясували, як птахи пересуваються групами, але ці висновки були зроблені в результаті експериментів, що імітують взаємодію двох птахів. Нове дослідження Nature Communications розширило запит, щоб врахувати багато листівок.
Щоб відтворити колоноподібне шикування птахів, коли вони шикуються одна за одною, дослідники створили механізовані махалки, які діють як пташині крила. Крила були надруковані на 3D-принтері з пластику і приводилися в рух двигунами, які махали ними у воді, відтворюючи те, як повітря обтікає крила птахів під час польоту. Ця «імітація зграї» рухалася по воді і могла вільно вишикуватися в лінію або чергу, як видно на відеозаписі експерименту.
Потоки по-різному впливали на організацію групи — залежно від розміру групи.
Для невеликих груп приблизно з чотирьох літаючих дослідники виявили ефект, за допомогою якого кожен учасник отримує допомогу від аеродинамічних взаємодій в утриманні своєї позиції відносно сусідів.
«Якщо флаєр зміщується зі свого положення, вихори або завихрення потоку, залишені провідним сусідом, допомагають штовхати слідкуючого назад на місце та утримувати його там», — пояснює Рістроф, директор лабораторії прикладної математики Нью-Йоркського університету, де проводилися експерименти. . «Це означає, що листівки можуть збиратися в упорядковану чергу з регулярним інтервалом автоматично та без додаткових зусиль, оскільки фізика виконує всю роботу.
«Однак у великих групах ця взаємодія потоків призводить до того, що пізніші члени штовхаються навколо та викидаються з позиції, що зазвичай призводить до розпаду зграї через зіткнення між членами. Це означає, що дуже довгі групи, які спостерігаються у деяких типів птахів, зовсім нелегко сформувати, і пізніші члени, швидше за все, повинні постійно працювати, щоб утримувати свої позиції та уникати зіткнення з сусідами».
Математичні дослідження динаміки зграї
Потім автори розгорнули математичне моделювання, щоб краще зрозуміти основні сили, що керують результатами експерименту. Тут вони прийшли до висновку, що взаємодія між сусідами, опосередкована потоком, є, по суті, пружинними силами, які утримують кожного члена на місці — , так само як якби вагони поїзда були з’єднані пружинами.
Однак ці «пружини» діють лише в одному напрямку — провідний птах може чинити силу на свого послідовника, але не навпаки — і ця невзаємна взаємодія означає, що наступні члени мають тенденцію резонувати або шалено коливатися.
«Коливання виглядають як хвилі, які коливають членів вперед і назад і які рухаються вниз по групі та збільшують інтенсивність, змушуючи наступних членів збиватися разом», — пояснює Джоел Ньюболт, який на час дослідження був аспірантом фізики Нью-Йоркського університету.
Команда назвала ці нові типи хвиль «флононами», що базується на подібній концепції фононів, які належати до коливальних хвиль у системах мас, з’єднаних пружинами, і які використовуються для моделювання руху атомів або молекул у кристалах чи інших матеріалах.
«Тому наші висновки відкривають деякі цікаві зв’язки з фізикою матеріалу, в якій птахи в упорядкованій зграї аналогічні атомам у звичайному кристалі», – додає Ньюболт.