Глядя на небо в эти первые недели весны, вы вполне можете увидеть стаю птиц, которые движутся в унисон, мигрируя на север. Но как этим существам удается летать так скоординированно и, казалось бы, без усилий? Частично ответ кроется в точных и ранее неизвестных аэродинамических взаимодействиях, сообщает команда математиков в недавно опубликованном исследовании. Это открытие расширяет наше понимание дикой природы, включая рыб, которые передвигаются стаями, и может найти применение в транспорте и энергетике. "Эта область исследований важна, поскольку известно, что животные используют потоки, например, воздуха или воды, оставляемые другими членами группы, чтобы сэкономить энергию, необходимую для передвижения, или уменьшить сопротивление", - объясняет Лейф Ристроф, доцент Нью-Йоркского университета. Курант из Института математических наук и старший автор статьи, которая опубликована в журнале Nature Communications. "Наша работа также может найти применение в области транспорта — например, эффективного перемещения по воздуху или воде — и энергетики, например, для более эффективного использования энергии ветра, водных течений или волн".
Результаты работы команды показывают, что влияние аэродинамики зависит от размера летающей группы — она приносит пользу небольшим группам и вредит большим. "Аэродинамические взаимодействия в небольших птичьих стаях помогают каждому члену группы занимать определенное положение по отношению к своему соседу-лидеру, но более крупные группы нарушаются из-за эффекта, который смещает членов группы с этих позиций и может привести к столкновениям", - отмечает Софи Рамананариву, доцент Парижской политехнической школы и один из авторов статьи. авторы. Ранее Ристроф и его коллеги выяснили, как птицы передвигаются группами, но эти результаты были получены в результате экспериментов, имитирующих взаимодействие "двух" птиц. Новое исследование Nature Communications расширило исследование, включив в него множество летунов. Чтобы воспроизвести колоннообразные фигуры птиц, в которых они выстраиваются одна непосредственно за другой, исследователи создали механизированные хлопушки, которые действуют как птичьи крылья. Крылья были напечатаны на 3D-принтере из пластика и приводились в движение двигателями, чтобы махать в воде, что повторяло то, как воздух обтекает крылья птицы во время полета.
Эта "имитация стаи" двигалась по воде и могла свободно выстраиваться в линию или очередь. Потоки по—разному влияли на организацию группы - в зависимости от размера группы. Для небольших групп, состоящих примерно из четырех человек, исследователи обнаружили эффект, благодаря которому аэродинамические взаимодействия помогают каждому участнику удерживать свое положение относительно соседей. "Если листовка смещается со своего места, вихри или завихрения потока, оставленные соседом-лидером, помогают вернуть ее на место и удерживать там", - объясняет Ристроф, директор лаборатории прикладной математики Нью-Йоркского университета, где проводились эксперименты. "Это означает, что флаеры могут выстраиваться в упорядоченную очередь на равном расстоянии друг от друга автоматически и без дополнительных усилий, поскольку физика делает всю работу за них. "Однако в больших группах эти взаимодействия в потоке приводят к тому, что более поздние участники толкаются и сбиваются с позиции, что обычно приводит к распаду стаи из-за столкновений между участниками. Это означает, что очень длинные группы, наблюдаемые у некоторых видов птиц, совсем непросто сформировать, и более поздним членам, вероятно, приходится постоянно работать, чтобы удерживать свои позиции и не врезаться в соседей".
Затем авторы применили математическое моделирование, чтобы лучше понять основные факторы, определяющие результаты эксперимента. Здесь они пришли к выводу, что опосредованные потоком взаимодействия между соседними элементами, по сути, представляют собой пружиноподобные силы, которые удерживают каждый элемент на месте - точно так же, как если бы вагоны поезда были соединены пружинами. Однако эти "пружины" действуют только в одном направлении — ведущая птица может оказывать давление на свою следующую, но не наоборот, — и это невзаимное взаимодействие означает, что последующие птицы склонны резонировать или сильно колебаться. "Колебания выглядят как волны, которые раскачивают участников вперед и назад, распространяются по группе и усиливаются, в результате чего более поздние участники сталкиваются", - объясняет Джоэл Ньюболт, который на момент проведения исследования был аспирантом Нью-Йоркского университета по физике. Команда назвала эти новые типы волн "фононами", что основано на аналогичной концепции фононов, которые относятся к колебательным волнам в системах масс, соединенных пружинами, и которые используются для моделирования движения атомов или молекул в кристаллах или других материалах. "Таким образом, наши результаты выявляют некоторые интересные связи с физикой материалов, в которой птицы в упорядоченной стае аналогичны атомам в обычном кристалле", - добавляет Ньюболт.
