Wetenschap
Hoe komen vogels bijeen? Onderzoekers doen de wiskunde om voorheen onbekende aerodynamische fenomenen te onthullen
Als je tijdens deze eerste weken van de lente naar de hemel kijkt, kun je heel goed een zwerm vogels zien die samen naar het noorden trekken. Maar hoe vliegen deze wezens zo gecoördineerd en schijnbaar moeiteloos?
Een deel van het antwoord ligt in precieze en voorheen onbekende aerodynamische interacties, meldt een team van wiskundigen in een onlangs gepubliceerde studie. De doorbraak ervan verruimt ons begrip van dieren in het wild, inclusief vissen, die zich in scholen verplaatsen en toepassingen zouden kunnen hebben in transport en energie.
"Dit onderzoeksgebied is belangrijk omdat bekend is dat dieren profiteren van de stromen, zoals van lucht of water, achtergelaten door andere leden van een groep om te besparen op de energie die nodig is om te bewegen of om weerstand of weerstand te verminderen", legt Leif uit. Ristrof, universitair hoofddocent aan het Courant Institute of Mathematical Sciences van de Universiteit van New York en senior auteur van het artikel, dat verschijnt in het tijdschrift Nature Communications .
"Ons werk kan ook toepassingen hebben op het gebied van transport – zoals efficiënte voortstuwing door lucht of water – en energie, zoals het effectiever oogsten van energie uit wind, waterstromingen of golven."
De resultaten van het team laten zien dat de impact van aerodynamica afhangt van de grootte van de vliegende groep:kleine groepen profiteren en grote groepen worden verstoord.
“De aerodynamische interacties in kleine vogelkoppels helpen elk lid een bepaalde speciale positie in te nemen ten opzichte van hun belangrijkste buurman, maar grotere groepen worden verstoord door een effect dat leden uit deze posities verdrijft en botsingen kan veroorzaken”, zegt Sophie Ramananarivo, een assistent-professor. aan de École Polytechnique Paris en een van de auteurs van het artikel.
Eerder ontdekten Ristrof en zijn collega's hoe vogels zich in groepen bewegen, maar deze bevindingen waren afkomstig uit experimenten die de interacties van 'twee' vogels nabootsten. De nieuwe Natuurcommunicatie research breidde het onderzoek uit om rekening te houden met veel flyers.
Om de zuilvormige formaties van vogels na te bootsen, waarin ze direct achter elkaar staan, creëerden de onderzoekers gemechaniseerde flappers die als vogelvleugels fungeren. De vleugels zijn in 3D geprint uit plastic en door motoren aangedreven om in het water te fladderen, wat nabootst hoe de lucht tijdens de vlucht rond de vleugels van vogels stroomt.
Deze "nepkudde" voortbewoog zich door het water en kon zich vrijelijk in een rij of wachtrij opstellen.
De stromen hadden op verschillende manieren invloed op de groepsorganisatie, afhankelijk van de grootte van de groep.
Voor kleine groepen van maximaal ongeveer vier vliegers ontdekten de onderzoekers een effect waarbij elk lid hulp krijgt van de aerodynamische interacties bij het behouden van zijn positie ten opzichte van zijn buren.
"Als een vlieger uit zijn positie wordt verplaatst, helpen de wervelingen of wervelingen van de stroming die de leidende buurman achterlaat, de volger terug op zijn plaats te duwen en hem daar vast te houden", legt Ristrof uit, directeur van het Applied Mathematics Laboratory van NYU, waar de experimenten werden uitgevoerd. . "Dit betekent dat de flyers zich automatisch en zonder extra inspanning in een ordelijke rij met regelmatige tussenruimte kunnen verzamelen, omdat de natuurkunde al het werk doet.
"Voor grotere groepen zorgen deze stroominteracties er echter voor dat latere leden worden verdrongen en uit positie worden geslingerd, wat doorgaans leidt tot een ineenstorting van de kudde als gevolg van botsingen tussen leden. Dit betekent dat de zeer lange groepen die bij sommige soorten vogels worden gezien, zijn helemaal niet gemakkelijk te vormen, en de latere leden moeten waarschijnlijk voortdurend werken om hun posities te behouden en te voorkomen dat ze tegen hun buren botsen."
De auteurs hebben vervolgens wiskundige modellen ingezet om de onderliggende krachten achter de experimentele resultaten beter te begrijpen.
Hier concludeerden ze dat door stroming gemedieerde interacties tussen buren in feite veerachtige krachten zijn die elk lid op zijn plaats houden, net alsof de wagons van een trein door veren met elkaar verbonden zijn.
Deze 'veren' werken echter maar in één richting - een leidende vogel kan kracht uitoefenen op zijn volger, maar niet andersom - en deze niet-wederzijdse interactie betekent dat latere leden de neiging hebben om wild te resoneren of te oscilleren.
"De oscillaties zien eruit als golven die de leden naar voren en naar achteren schudden en die door de groep reizen en in intensiteit toenemen, waardoor latere leden tegen elkaar botsen", legt Joel Newbolt uit, die ten tijde van het onderzoek een afgestudeerde natuurkundestudent aan de NYU was.
Het team noemde deze nieuwe soorten golven 'flonons', wat gebaseerd is op het vergelijkbare concept van fononen die verwijzen naar trillingsgolven in systemen van massa's die met elkaar verbonden zijn door veren en die worden gebruikt om de bewegingen van atomen of moleculen in kristallen of andere materialen te modelleren. .
"Onze bevindingen brengen daarom een aantal interessante verbanden met de materiaalfysica naar voren, waarin vogels in een ordelijke kudde analoog zijn aan atomen in een gewoon kristal", voegt Newbolt toe.