Hvordan flokkes fugle? Forskere laver regnestykket for at afsløre hidtil ukendte aerodynamiske fænomener
Når du kigger op mod himlen i disse tidlige forårsuger, kan du meget vel se en flok fugle bevæge sig i forening, mens de trækker nordpå. Men hvordan flyver disse væsner på sådan en koordineret og tilsyneladende ubesværet måde?
En del af svaret ligger i præcise, og hidtil ukendte, aerodynamiske interaktioner, rapporterer et hold matematikere i en nyligt offentliggjort undersøgelse. Dens gennembrud udvider vores forståelse af dyrelivet, herunder fisk, der bevæger sig i skoler og kan have anvendelser inden for transport og energi.
"Dette forskningsområde er vigtigt, da dyr er kendt for at drage fordel af de strømme, såsom luft eller vand, efterladt af andre medlemmer af en gruppe for at spare på den nødvendige energi til at bevæge sig eller for at reducere modstand eller modstand," forklarer Leif Ristroph, en lektor ved New York University's Courant Institute of Mathematical Sciences og seniorforfatter af papiret, som vises i tidsskriftet Nature Communications .
"Vores arbejde kan også have anvendelser inden for transport - som effektiv fremdrift gennem luft eller vand - og energi, såsom mere effektiv høst af strøm fra vind, vandstrømme eller bølger."
Holdets resultater viser, at virkningen af aerodynamik afhænger af størrelsen af den flyvende gruppe - til gavn for små grupper og forstyrrer store.
"De aerodynamiske vekselvirkninger i små fugleflokke hjælper hvert medlem til at holde en bestemt særlig position i forhold til deres førende nabo, men større grupper forstyrres af en effekt, der fjerner medlemmer fra disse positioner og kan forårsage kollisioner," bemærker Sophie Ramananarivo, en adjunkt. ved École Polytechnique Paris og en af avisens forfattere.
Tidligere afslørede Ristroph og hans kolleger, hvordan fugle bevæger sig i grupper - men disse resultater blev hentet fra eksperimenter, der efterlignede interaktionerne mellem "to" fugle. Den nye Nature Communications forskning udvidede forespørgslen til at tage højde for mange flyers.
For at replikere de søjleformede formationer af fugle, hvor de stiller sig op lige efter hinanden, skabte forskerne mekaniserede flapper, der fungerer som fuglevinger. Vingerne blev 3D-printet af plastik og drevet af motorer til at klappe i vand, hvilket replikerede, hvordan luft strømmer rundt om fuglevinger under flyvning.
Denne "hånlige flok" drev gennem vandet og kunne frit arrangere sig inden for en linje eller kø.
Strømmene påvirkede gruppeorganisationen på forskellige måder – afhængigt af gruppens størrelse.
For små grupper på op til omkring fire flyers opdagede forskerne en effekt, hvorved hvert medlem får hjælp fra de aerodynamiske interaktioner til at holde sin position i forhold til sine naboer.
"Hvis en flyer forskydes fra sin position, hjælper hvirvlerne eller strømningshvirvlerne efterladt af den førende nabo til at skubbe følgeren tilbage på plads og holde den der," forklarer Ristroph, direktør for NYU's Applied Mathematics Laboratory, hvor eksperimenterne blev udført. . "Dette betyder, at flyerne automatisk og uden ekstra indsats kan samles i en ordentlig kø med regelmæssige mellemrum, da fysikken klarer alt arbejdet.
"For større grupper bevirker disse flow-interaktioner imidlertid, at senere medlemmer bliver skubbet rundt og smidt ud af position, hvilket typisk forårsager et sammenbrud af flokken på grund af sammenstød mellem medlemmer. Det betyder, at de meget lange grupper, der ses hos nogle fugletyper, slet ikke let at danne, og de senere medlemmer skal sandsynligvis konstant arbejde for at holde deres positioner og undgå at støde ind i deres naboer."
Forfatterne implementerede derefter matematisk modellering for bedre at forstå de underliggende kræfter, der driver de eksperimentelle resultater.
Her konkluderede de, at strømningsmedierede vekselvirkninger mellem naboer i virkeligheden er fjederlignende kræfter, der holder hvert element på plads - ligesom hvis vognene i et tog var forbundet med fjedre.
Disse "fjedre" virker dog kun i én retning – en blyfugl kan udøve kraft på sin følger, men ikke omvendt – og denne ikke-gensidige interaktion betyder, at senere medlemmer har en tendens til at resonere eller svinge vildt.
"Oscillationerne ligner bølger, der rykker medlemmerne frem og tilbage, og som bevæger sig ned ad gruppen og øges i intensitet, hvilket får senere medlemmer til at styrte sammen," forklarer Joel Newbolt, som var en NYU-kandidatstuderende i fysik på forskningstidspunktet.
Holdet kaldte disse nye typer bølger "flononer", som er baseret på det lignende koncept for fononer, der refererer til vibrationsbølger i systemer af masser forbundet af fjedre, og som bruges til at modellere bevægelserne af atomer eller molekyler i krystaller eller andre materialer .
"Vores resultater rejser derfor nogle interessante forbindelser til materiel fysik, hvor fugle i en velordnet flok er analoge med atomer i en regulær krystal," tilføjer Newbolt.
Flere oplysninger: Joel W. Newbolt et al., Flow-interaktioner fører til selvorganiserede flyveformationer forstyrret af selvforstærkende bølger, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47525-9
Journaloplysninger: Nature Communications
Leveret af New York University
Varme artikler
-
Din gåtur er så distinkt, at den kan afsløre dybe personlighedstrækForskere foreslår, at den forskellige gang, hver person udviser, kan afsløre medfødte personlighedstræk. Malte Mueller/Getty Images Menneskelig bevægelse er kompleks, og alligevel trækker vi konstant -
Fodring fra mennesker ændrer adfærd og fysiologi af grønne skildpadder på De Kanariske ØerDen grønne skildpadde er inkluderet på den røde liste over truede arter ifølge International Union for Conservation of Nature. Kredit:Lluís Cardona, UB-IRBio Fodring af dyr ændrer adfærd og spisev -
Delfin- og bjørnestudier baner vejen til forbedret befolkningsprognoseEn flaske -delfinmor og kalv (Tursiops aduncus) i Vest -Australien. Kredit:Kate Sprogis, Murdoch Cetacean Research Unit En ny artikel af et UNSW Sydney-ledet team udfordrer gyldigheden af de nuv -
Sådan fungerer epigenetikHvis tvillinger arver det samme sæt gener, hvordan kan de være så forskellige? A.B./Photonica/Getty Images Medmindre du tilfældigvis enten har en identisk søskende eller kender et par, der er en god
- Forskning identificerer mekanismen bag lægemiddelresistens i malariaparasit
- Hvordan flygtninge løser tvister:Indsigt fra en ugandisk løsning
- Luminescerende geler til en lang række anvendelser fra forfalskning til bio-sensing
- Nicaragua underskriver Paris -klimaaftale:embedsmand
- Hvad kan den nye bydagsorden og målene for bæredygtig udvikling gøre for byerne?
- Forskere har isoleret det allerførste rustpatogengen, hvedeplanter opdager for at tænde resistens