Matematik for myg, der trækker 10g

Midges bevæger sig med voldsom tilfældighed, udsætter sig ofte for accelerationer på mere end 10g, langt ud over grænsen for jagerpiloter, mens de dukker og dykker i sværme, der stadig bevarer en næsten paradoksal sammenhængskraft på trods af blæsende vind eller kraftige optræk.

I fællesskab myg bevæger sig meget anderledes end fugleflokke, stimer af fisk eller dyrebesætninger; der er ingen ordre til deres flyvning, ingen orkestrerede slag eller retningsændringer. Bevægelsen af ​​myg er fuldstændig tilfældig, og kan være forbavsende på prøve.

"Heldigvis for myg, insekthjerner bevæger sig ikke rundt i kraniet, " bemærker Andy Reynolds, en fysiker ved Rothamsted Research, der studerer insektflugt til instituttets Smart Crop Protection-program. Hans seneste resultater er offentliggjort i dag i Royal Society journal, Interface .

Målet er at forudsige, til nøjagtighed på "postnummerniveau", hvor luftbårne skadedyr, såsom bladlus, dukker op næste gang. Bortset fra den komplekse flyvedynamik, der er det problem, at sådan adfærd ikke er blevet observeret direkte, gennem eksperimenter, så potentielle modeller kunne finpudses.

"I stedet, vi har målinger af lufttæthedsprofiler og hastighedsstatistikker, " siger Reynolds. Han brugte disse "simple" data, i et tilknyttet papir udgivet sidste år, at formulere en teori om flyveadfærd, som samarbejdspartnere fra Stanford University var i stand til at verificere eksperimentelt.

"Vi viste, at du virkelig kan udlede insektflyvningsadfærd ud fra de enkleste observationer, " siger Reynolds. Hans seneste forskning skubber teorien meget længere. Han har udtænkt en simpel model, der forudsiger de mærkelige egenskaber ved mygesværme, der er observeret tidligere.

"Mug trækker ofte 10 g eller mere; fortrænger en sværm (med et vindstød), og den opfører sig som et fast stof trods alt det tomme rum; sværmen består af en tæt indre kerne og ydre dampfase med mærkelige termodynamiske egenskaber, " bemærker Reynolds.

"Teorien kan også forklare, hvorfor laboratoriesværme og naturlige sværme opfører sig forskelligt - på grund af påvirkningen af ​​vejrforhold, " tilføjer han. "Det virker bemærkelsesværdigt, at al denne kompleksitet kan udledes af de mest basale ingredienser."

Grundlaget for hans matematiske modeller er noget "old school-fysik" i form af Langevin-ligningen, som stammer fra 1908 og beskriver Brownsk bevægelse, den tilfældige bevægelse af partikler suspenderet i en væske.

"Som andre veletablerede ligninger, der har været dybtgående ændringer i vores forståelse af de sammenhænge, ​​hvori det er gyldigt, og årsagerne til dens gyldighed, " siger Reynolds. "Miggene er det seneste eksempel på et sådant skift i vores forståelse."

Han tilføjer:"Ligningen viser, at mygesværme effektivt er bundet sammen af ​​gravitationslignende kræfter og derfor opfører sig meget som klynger af stjerner."

Reynolds er overbevist om, at matematiske modeller kan fange luftbårne insekters adfærd og forudsige, hvordan skadedyr vil spredes. "At forudsige adfærden hos enkelte bladlus er meget nemmere end at forudsige adfærden af ​​en sværm; hvis vi kan gøre det sidste så godt, vi kan gøre det første på trods af manglen på data, " han siger.