Forskere rangerer de smarteste fiskestimer, når det kommer til rejseformationer

Bevægelseskoncerten, som fiskeskolerne er berømte for, er ikke kun en omfattende visning af synkronsvømning. Deres tilsyneladende telepatiske kollektive bevægelse er en del af en gennemprøvet strategi for at forbedre gruppens chancer for at overleve som helhed, fra forsvar mod rovdyr til fødesøgning og parring.

En undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang X tilbyder nye detaljer, der viser, hvordan de akvatiske strømme skabt af visse fiskestimer kan gavne hvert af dets individuelle medlemmer på endnu en måde - hydrodynamisk.

Et forskerhold fra New Jersey Institute of Technology (NJIT) og New York University (NYU) har fremvist en ny matematisk model, der er i stand til at bestemme, hvilke formationer der giver en skoles svømmere den største fordel, når det kommer til energieffektivitet og hastigheder, især sammenlignet med skoleløse fisk.

Forskerne siger, at undersøgelsen giver et fysisk billede, der illustrerer, hvordan svømmere i fiskeskoler påvirkes gennem den konstante forbindelse mellem hver svømmers flagrende vinger og de vedvarende strømningshvirvler, der genereres af kollektivet.

"Der er en masse videnskabelig litteratur, der har fokuseret på dynamikken i fiskestimer og sociale interaktioner, der former dem, behovet for at optage formationer for at undgå rovdyr for eksempel, " sagde Anand Oza, adjunkt ved NJITs Matematikafdeling og en af ​​undersøgelsens forfattere. "Ofte forsømt, imidlertid, har været væskedynamik ... 'kan væskestrømme faktisk påvirke skolernes struktur?'. Det, jeg finder spændende, er, at vi med denne undersøgelse nu kvantitativt kan pege på, hvordan hydrodynamik kan hjælpe eller ligefrem hindre en skole."

Holdet undersøgte fire almindelige fiskeskoleformationstyper i bevægelse:in-line formationer, enkeltfil "phalanx" formationer, rektangulære "gitter" formationer; og diamantgitterformationer.

Ved at anvende eksperimentelle data fra tidligere undersøgelser udført på NYU til deres model, holdet fangede en række subtile hydrodynamiske interaktioner, der forekommer inden for forskellige fiskestimer, viser, hvor meget energi der blev udøvet af hver fisk fra deres flagrende bevægelser, mens de svømmede i deres formation. Holdets model holdt også styr på kræfterne på grund af små boblebad-lignende hvirvler svømmerne kastede ud for hvert slag, viser, hvor meget fiskene blev drevet frem af hvirvelstrømme genereret af deres skolekammerater.

Samlet set, holdets computersimuleringer afslørede, at skoler dannet i en enkelt linje på tværs (phalanx) fik marginale hastigheds- og energibesparelser i forhold til ensomme svømmere, mens in-line og rektangulære gitterformationer tilbød væsentlige forbedringer. Imidlertid, holdet observerede, at fisk organiseret i en diamantgitterformation fik den største hydrodynamiske fordel.

"At finde ud af, at diamantdannelsen er bedst, var ikke helt overraskende, men hvad vi lærte er, at alle diamanter ikke er ens ... geometrien betyder noget. Generelt, jo tyndere diamantdannelse, jo bedre ydeevne, " forklarede Oza.

Oza siger nu, at deres team håber at udvikle deres model yderligere for at studere lignende dynamik i fugleflokke. Resultaterne kunne have tekniske anvendelser inden for energihøst og fremdrift, måske på måder, der kan være nyttige til at udvikle mere effektive vindmølleparker.

"Vi er nødt til at validere vores model yderligere og udføre flere tests, men ideelt set kunne jeg se konceptuelt lignende modeller brugt til at hjælpe med at bestemme, hvordan man arrangerer vindmøller sammen for at få det bedste output af energi, " sagde Oza. "Vi vil også gerne bruge denne model til at se, hvordan hvirvler og væskemedieret hukommelse kan påvirke den kollektive adfærd hos tætpakkede eller uordnede skoler og flokke. Det er et spændende blik frem, som ikke er blevet udforsket meget."