Коллективно передвигающиеся животные часто рассматриваются как аналог состояний материи, поскольку явления группового уровня возникают в результате взаимодействий на индивидуальном уровне. Международная группа исследователей выяснила ранее неизвестные формулы, лежащие в основе такого движения, что позволяет использовать изобретательность природы для наших собственных нужд механического назначения. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
«Эта область исследований важна, поскольку известно, что животные используют потоки воздуха или воды, оставленные другими членами группы, для экономии энергии, необходимой для движения, или для уменьшения сопротивления или сопротивления», — объяснил старший автор исследования Лейф Ристроф из Нью-Йоркского университета.
Команда ограничила свое исследование птицами, движущимися колонной – теми формациями, в которых группы летающих выстраиваются прямо друг за другом – вместо того, чтобы пытаться выполнить некоторые из наиболее авантюрных шумов, достигаемых некоторыми видами птиц. Между прочим, это не следует рассматривать как недостаток – эти движения могут быть настолько сложными, что напоминать квантовую динамику сверхтекучего гелия, и даже сбор достаточных данных для моделирования уравнений может быть непомерно трудным .
На самом деле, в предыдущей работе по математике, лежащей в основе стаи, рассматривалось еще меньше птиц: всего две, в статье той же команды около пяти лет назад. Но новая статья показала, насколько важным было расширение исследования для понимания движений этих групп животных – потому что, как оказалось, эффекты задействованной динамики на самом деле зависят от размера группы.
«Аэродинамические взаимодействия в небольших птичьих стаях помогают каждому члену занимать определенное особое положение по отношению к своему ведущему соседу», — объяснила соавтор исследования Софи Рамананариву из Политехнической школы Парижа. «Но более крупные группы разрушаются из-за эффекта, который смещает членов с этих позиций и может вызвать столкновения».
Это наблюдение было подтверждено с помощью «макета стаи» — механических копий крыльев, созданных командой и приводившихся в движение по воде для моделирования воздушного потока вокруг настоящих птиц в полете.
Ученые обнаружили, что пороговая точка равна примерно четырем: меньше летающих людей, а аэродинамические взаимодействия помогают каждому человеку по сравнению с другими, объяснил Ристроф. «Если флаер смещается со своей позиции, вихри или завихрения потока, оставленные ведущим соседом, помогают подтолкнуть ведомого обратно на место и удержать его там», — сказал он. «Это означает, что листовки могут автоматически и без дополнительных усилий собираться в упорядоченную очередь с равными интервалами, поскольку всю работу выполняет физика».
Более того, однако, оставаться в строю становится все труднее. «Взаимодействия потока приводят к тому, что более поздние члены толкаются и сбрасываются с места, что обычно приводит к распаду стаи из-за столкновений между членами», — сказал Ристроф. «Это означает, что очень длинные группы, наблюдаемые у некоторых видов птиц, сформировать совсем непросто».
По сути, как обнаружила команда, на каждую птицу влияет птица, идущая впереди, но она не может оказать никакого обратного эффекта на свою предшественницу. Эти волны, названные исследователями «флоонами», складываются в колонне, поэтому к тому времени, когда мы доберемся до конца очереди, птицы могут сильно раскачиваться: им «вероятно, придется постоянно работать, чтобы удерживать свои позиции и избегать крушения», пояснил Ристроф.
Но хотя все это очень интересно, будет ли это особенно полезно для тех из нас, у кого нет перьев? Ну, на самом деле, да. «Наши результаты обнаруживают некоторые интересные связи с физикой материалов», — отметил соавтор исследования Джоэл Ньюболт из Нью-Йоркского университета. «Птицы в упорядоченной стае аналогичны атомам в обычном кристалле».
И исследование может иметь и более непосредственные последствия для реального мира, добавил Ристроф. «Наша работа также может найти применение в транспорте – например, в эффективном движении по воздуху или воде», – предположил он, – «и в энергетике, например, в более эффективном сборе энергии от ветра, водных течений или волн».
