_ Cum turmă de păsări? Cercetătorii fac calculul pentru a dezvălui un fenomen aerodinamic necunoscut anterior

Privind în sus la cer în aceste săptămâni de primăvară, s-ar putea foarte bine să vedeți un stol de păsări mișcându-se la unison în timp ce migrează spre nord. Dar cum zboară aceste creaturi într-un mod atât de coordonat și aparent fără efort?

O parte a răspunsului constă în interacțiuni aerodinamice precise și necunoscute anterior, relatează o echipă de matematicieni într-un studiu recent publicat. Revoluția sa ne lărgește înțelegerea asupra faunei sălbatice, inclusiv a peștilor, care se mișcă în școli și ar putea avea aplicații în transport și energie.

„Acest domeniu de cercetare este important, deoarece se știe că animalele profită de fluxuri, cum ar fi aerul sau apa, lăsate de alți membri ai unui grup pentru a economisi energia necesară pentru deplasare sau pentru a reduce rezistența sau rezistența”, explică Leif Ristroph, profesor asociat la Institutul Courant de Științe Matematice de la Universitatea din New York și autor principal. al lucrării, care apare în revista Nature Communications.

„Lucrările noastre pot avea, de asemenea, aplicații în transporturi - cum ar fi propulsia eficientă prin aer sau apă - și energie, cum ar fi recoltarea mai eficientă a energiei din vânt, apă. curenți sau valuri."

Rezultatele echipei arată că impactul aerodinamicii depinde de mărimea grupului de zbor - beneficiind grupurile mici și perturbând pe cele mari.

"Interacțiunile aerodinamice în stoluri mici de păsări ajută fiecare membru să dețină o anumită poziție specială în raport cu vecinul principal, dar grupurile mai mari sunt perturbate de un efect care dislocă membrii din aceste poziții și poate provoca coliziuni”, notează Sophie Ramananarivo, profesor asistent la École Polytechnique Paris. și unul dintre autorii lucrării.

Anterior, Ristroph și colegii săi au descoperit cum se mișcă păsările în grupuri, dar aceste constatări au fost extrase din experimente care imită interacțiunile dintre „două” păsări. Noua cercetare Nature Communications a extins ancheta pentru a ține cont de mulți fluturași.

Pentru a reproduce formațiunile coloane ale păsărilor, în care se aliniază una direct în spatele celeilalte, cercetătorii au creat clapete mecanizate care acționează ca păsările. aripile. Aripile au fost imprimate 3D din plastic și acționate de motoare pentru a bate în apă, ceea ce a replicat modul în care aerul curge în jurul aripilor păsărilor în timpul zborului.

Acest „turmă simulat” a propulsat prin apă și se putea aranja liber într-un linie sau coadă.

Fluxurile au afectat organizarea grupului în moduri diferite – în funcție de mărimea grupului.

Pentru grupuri mici de până la aproximativ patru fluturași, cercetătorii au descoperit un efect prin care fiecare membru primește ajutor din interacțiunile aerodinamice în menținerea poziției sale în raport cu vecinii săi.

„Dacă un zburător este deplasat de la poziția sa, vârtejurile sau vârtejurile de flux lăsate de vecinul conducător ajută la împingere. adeptul înapoi la loc și ține-l acolo”, explică Ristroph, directorul Laboratorului de Matematică Aplicată al NYU, unde au fost efectuate experimentele. „Aceasta înseamnă că fluturașii se pot aduna într-o coadă ordonată de spațiere regulată automat și fără efort suplimentar, deoarece fizica face toată treaba.

„Pentru grupuri mai mari, totuși, aceste interacțiuni ale fluxului îi fac pe membrii ulterioare să fi împins și aruncat din poziție, provocând de obicei o defalcare a turmei din cauza ciocnirilor dintre membri. Aceasta înseamnă că grupurile foarte lungi observate la unele tipuri de păsări nu sunt deloc ușor de format, iar membrii de mai târziu trebuie să lucreze în mod constant pentru a-și menține pozițiile și a evita să se ciocnească de vecinii lor.”

The autorii au implementat apoi modelarea matematică pentru a înțelege mai bine forțele care stau la baza rezultatelor experimentale.

Aici, ei au ajuns la concluzia că interacțiunile mediate de flux între vecini sunt, de fapt, forțe asemănătoare arcurilor care țin fiecare membru pe loc, la fel ca și cum vagoanele unui tren ar fi conectate prin arcuri.

Totuși, aceste „arvoare” acționează într-o singură direcție — o pasăre de plumb poate exercita forță asupra adepților ei, dar nu invers — și această interacțiune non-reciprocă înseamnă că membrii ulterioare tind să rezoneze sau să oscileze sălbatic.

„Oscilațiile arată ca valuri care zgâlțâie membrii înainte și înapoi și care călătoresc în jos în grup și cresc în intensitate, determinând ca membrii de mai târziu să se ciocnească împreună”, explică Joel Newbolt, care a fost student absolvent de fizică la NYU la timpul cercetării.

Echipa a numit aceste noi tipuri de valuri „flononi”, care se bazează pe conceptul similar de fononi care se referă la undele vibraționale în sisteme de mase legate prin arcuri și care sunt folosite pentru modelează mișcările atomilor sau moleculelor din cristale sau din alte materiale.

„Descoperirile noastre ridică, prin urmare, unele conexiuni interesante cu fizica materialelor, în care păsările dintr-un stol ordonat sunt analoge cu atomii dintr-un cristal obișnuit”, adaugă Newbolt. .

(Fluierul)