Forskere analyserer flokadfærd på buede overflader

En mumlen af ​​stære. Sætningen lyder som noget fra litteraturen eller titlen på en arthouse-film. Faktisk, det er beregnet til at beskrive det fænomen, der opstår, når hundredvis, nogle gange tusinder, af disse fugle flyver sammen, indviklet koordinerede mønstre gennem himlen.

Eller i mere tekniske termer, flokkes.

Men fugle er ikke de eneste væsner, der flokkes. Sådan adfærd finder også sted i mikroskopisk skala, som når bakterier strejfer rundt i tarmens folder. Alligevel fugl eller bakterier, al flok har én forudsætning:Enhedens form skal være forlænget med et "hoved" og "hale" for at justere og bevæge sig med naboer i en ordnet tilstand.

Fysikere studerer flok for bedre at forstå dynamisk organisation på forskellige skalaer, ofte som en måde at udvide deres viden om det hastigt voksende felt af aktivt stof. Et eksempel på det er en ny analyse foretaget af en gruppe teoretiske fysikere, inklusive Mark Bowick, vicedirektør for UC Santa Barbaras Kavli Institut for Teoretisk Fysik (KITP).

Generalisering af standardmodellen for flokbevægelse til den buede overflade af en kugle i stedet for det sædvanlige lineære plan eller flade tredimensionelle rum, Bowicks team fandt ud af, at i stedet for at sprede sig ensartet ud over hele sfæren, pillignende midler ordner spontant i cirkulære bånd centreret på ækvator. Holdets resultater vises i journalen Fysisk gennemgang X .

"Uanset om det er bakterier, der sværmer, celler roaming eller energiforbrugende 'pile' flyvende, disse systemer deler universelle karakteristika uafhængigt af agenternes præcise størrelse og struktur samt deres detaljerede interaktioner, " sagde den tilsvarende forfatter Bowick, som har orlov fra Syracuse University, mens han var i sin rolle på KITP. "De ordnede tilstande af disse systemer er aldrig helt ensartede, så udsving i tæthed genererer lyd, meget på samme måde, som blæseinstrumenter skaber musik."

På buede overflader, holdet, som omfatter KITP generelt medlem Cristina Marchetti og KITP kandidat stipendiat Suraj Shankar, fundet "særlige" lydtilstande, der ikke forsvinder og flyder rundt om forhindringer. Ifølge Bowick, disse specielle tilstande svarer til specielle harmoniske eller toner, der ikke blandes med alle de andre harmoniske.

Han bemærkede også, at disse tilstande er specielle, netop fordi båndgeometrien af ​​ækvator er meget forskellig fra den plane geometri på en flad overflade. For eksempel, en partikel, der bevæger sig på en ring, kommer tilbage til sit udgangspunkt, selvom den bevæger sig ad en "lige" vej. Dette sker ikke i et fly, hvor enheder fortsætter for evigt i en lige linje, aldrig at vende tilbage, medmindre de støder på en kant. Dette træk er en direkte konsekvens af kuglens og planets meget forskellige topologi.

"Selvom en kugle i sig selv ikke har nogen kant, de sværmende mønstre har en kant - kanten af ​​båndet, " sagde Bowick. "Så simpelthen ved lokalt at forbruge energi, aktive stoffer på kuglen sværmer spontant og skaber en kant."

Forfatterne analyserede også en anden buet form, en timeglasformet figur kaldet en katenoid. I modsætning til en kugle, hvor parallelle linjer konvergerer, katenoidens konkave krumning får paralleller til at divergere. Denne modsatte krumning skubber de flockende entiteter og tilhørende lydbølger til de øverste og nederste kanter af timeglasset, efterlader midten blottet - det modsatte af, hvad der sker på en kugle.

"Bare det faktum, at disse systemer flokkes, er ret bemærkelsesværdigt, fordi de dynamisk genererer bevægelse, " sagde Shankar, en ph.d.-studerende i soft matter-programmet i Syracuse Universitys fysikafdeling. "Men de er langt rigere systemer, end vi forventede, fordi de også genererer disse 'topologisk beskyttede' lydtilstande."