Если вы посмотрите на небо в первые недели весны, то вполне можете увидеть стаю птиц, которая в унисон движется на север. Но как эти существа летают так слаженно и, казалось бы, без усилий? Частично ответ кроется в точных и ранее неизвестных аэродинамических взаимодействиях, сообщает группа математиков в недавно опубликованном исследовании. Это открытие расширяет представления о дикой природе, включая рыб, которые перемещаются группами, и может найти применение в транспорте и энергетике, сообщает университет Нью-Йорка.
«Эта область исследований важна, поскольку известно, что животные пользуются потоками, например, воздуха или воды, оставленными другими членами группы, чтобы сэкономить энергию, необходимую для движения, или уменьшить сопротивление», — объясняет Лейф Ристроф, доцент Института математических наук Нью-Йоркского университета и старший автор работы, опубликованной в журнале Nature Communications.
Работа также может найти применение в транспорте, например, для эффективного движения по воздуху или воде — и в энергетике, например, для получения энергии от ветра, водных потоков или волн. Результаты работы команды показывают, что влияние аэродинамики зависит от размера членов летающей группы: маленькие птицы в группе более эффективны, чем большие.
«Аэродинамические взаимодействия в небольших птичьих стаях помогают каждому члену группы занимать определенное положение по отношению к своему соседу, но большие группы нарушаются из-за эффекта, который смещает членов группы со своих позиций, что может привести к столкновениям», — отмечает Софи Рамананариво, одна из авторов работы.
Чтобы воспроизвести птичьи стаи, в которых они выстраиваются одна за другой, учёные создали механизированные закрылки, которые действуют как крылья птиц. Они были напечатаны на 3D-принтере из пластика и приводились в движение моторами, чтобы хлопать в воде, что повторяло движение воздуха вокруг крыльев птиц 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 ее размера.
Для небольших групп, состоящих примерно из четырех особей, исследователи обнаружили эффект, при котором каждый член группы получает помощь от аэродинамических взаимодействий в удержании своего положения относительно соседей.
«Если флаер смещается со своего места, то вихри или завихрения потока, оставленные ведущим соседом, помогают второму вернуться на место и удерживают его там», — объясняет Ристроф, директор лаборатории прикладной математики Нью-Йоркского университета, где проводились эксперименты. Это означает, что птицы могут собираться в упорядоченную очередь с регулярными интервалами автоматически и без дополнительных усилий, поскольку всю работу делает физика.
Однако в больших группах взаимодействия потоков приводят к тому, что задние члены сталкиваются и отбрасываются с места, что приводит к распаду стаи из-за столкновений. Это означает, что очень длинные группы, наблюдаемые у некоторых видов птиц, формируются совсем не просто, и задним членам, вероятно, приходится постоянно работать, чтобы удерживать свои позиции и избегать столкновений с соседями.
Затем авторы применили математическое моделирование, чтобы лучше понять силы, лежащие в основе экспериментальных результатов. В результате они пришли к выводу, что взаимодействие между соседями, опосредованное потоком, по сути, представляет собой пружинные силы, удерживающие каждого участника на месте — как если бы вагоны поезда были соединены пружинами.
Однако эти пружины действуют только в одном направлении — ведущая птица может оказывать силу на последующую, но не наоборот, это невзаимное взаимодействие означает, что последующие члены склонны к резонансу или колебаниям, которые похожи на волны, раскачивающие членов группы вперед и назад. Они распространяются вниз и увеличиваются в интенсивности, заставляя задних членов сталкиваться друг с другом.
«Наши результаты вызывают некоторые интересные связи с физикой материалов, в которой птицы в упорядоченной стае аналогичны атомам в правильном кристалле», — добавляет Ньюболт.
[Фото: mbolina/Getty Images ]