Ученые на протяжении нескольких десятилетий исследуют причины формирования клина перелетными птицами и механизм выбора ими своего положения в этой V-образной структуре. Новое исследование предложило упрощенную физическую модель, которая позволила воспроизвести ключевые характеристики построения птичьего клина во время полета с использованием взмахов крыльев.

С семидесятых годов прошлого века стало известно о способности птиц экономить энергию за счет использования восходящих потоков воздуха, создаваемых концами крыльев летящей впереди особи. Воздух отклоняется вверх, что снижает усилия, необходимые следующей птице для поддержания заданной высоты полета. Именно поэтому многие крупные перелетные виды – например, гуси, пеликаны и журавли – нередко формируют V-образное построение или клин.

Определение оптимального расстояния между особями в строю и обеспечение его устойчивости оказалось гораздо более сложной задачей. Предыдущие компьютерные симуляции обычно требовали детальной проработки трехмерной аэродинамики каждого взмаха крыльев, учета взаимодействия множества вихрей и моделирования поведения нескольких птиц одновременно. Хотя такие расчеты демонстрируют высокую точность, они не способствуют выявлению общих физических принципов.

Исследователи из Инженерного факультета Брауновского университета (США) выбрали иной подход. Вместо сложного и подробного описания они создали упрощенную модель, которая учитывает лишь наиболее значимые аэродинамические факторы. В основе лежит концепция о том, что каждое взмахивание крыльев птицы создает за собой систему вихрей – своего рода след в воздушной среде. Именно взаимодействие с этим следом определяет преимущества определенного положения для последующей особи.

Ученые представили описание вихревого следа с использованием достаточно несложной математической модели, без учета формы крыльев, отдельных перьев или сложных процессов турбулентности. При всей своей упрощенности, эта модель позволила рассчитать воздействующие силы на птицу, следующую за другой, и выявить наиболее эффективные позиции для полета.

Оптимальное расположение в потоке воздуха не находится непосредственно позади лидера, а смещено немного в сторону – именно там восходящий поток создает максимальную подъемную силу. Модель точно воспроизвела характерное боковое отклонение, которое орнитологи отмечали при наблюдении за настоящими птицами в полете.

Специалисты выяснили, что выбор места полета пернатыми существами обусловлен не исключительно желанием достичь максимальной подъемной силы. Не менее значимым является необходимость уклоняться от зон нисходящих воздушных масс и поддерживать стабильность всей формации. Это приводит к формированию небольшого числа устойчивых позиций, из которых и создается характерный клиновидный строй.

Проверка разработанной модели с использованием данных о реальных птицах показала ее способность объяснять несколько особенностей группового поведения, ранее описываемых исключительно на основе опыта. В частности, рассчитанные позиции птиц в строю оказались созвучны тем, что наблюдались у настоящих стай. Это говорит о том, что для создания устойчивой формации не требуется сложная система ориентации или постоянный обмен информацией между участниками группы; достаточно лишь взаимодействия с воздушными массами.

Авторы исследования подчеркивают, что птицы вряд ли решают математические уравнения во время полета. Скорее всего, их действия являются результатом естественного отбора: особи, которые инстинктивно выбирали наиболее выгодные позиции относительно потоков воздуха, получали преимущество благодаря экономии энергии и повышенной выносливости при длительных перелетах.

Ключевым открытием стало то, что разработанная модель не только объясняет возникновение клиновидной структуры, но также демонстрирует возможность ее сохранения в динамике. В настоящих стаях птицы постоянно корректируют свое положение: незначительно меняют расстояние до соседа спереди или сзади, регулируют высоту и взаимное расположение. Согласно новой научной работе, такие изменения связаны с перераспределением аэродинамических сил между особями и обеспечивают стабильный полет всей группы.

Изучение того, как живые организмы применяют законы физики для скоординированных перемещений, может быть полезным при разработке автономных коллективов роботов или летательных аппаратов. Например, алгоритмы управления беспилотными устройствами могли бы использовать аналогичные принципы для группового полета с меньшим расходом энергии и более рациональным использованием воздушного пространства.

Необходимо учитывать ограничения проведенной работы. Поскольку модель имеет упрощенный характер, она не охватывает все аспекты птичьего полета и игнорирует множество биологических факторов — например, индивидуальные особенности, специфику управления мускулатурой или социальное взаимодействие внутри стаи. Кроме того, ученые сосредоточились преимущественно на аэродинамическом взаимодействии, а не обо всех факторах, влияющих на выбор позиции в строю. Тем не менее, исследование подтвердило возможность объяснения знаменитого птичьего клина при помощи относительно простых физических законов.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.