Как летают стаи птиц? Математики обнаружили неизвестный аэродинамический феномен

Исследователи выявили ранее неизвестные аэродинамические взаимодействия, объясняющие, как птицы координированно летают в стаях. Это открытие расширяет понимание коллективного движения животных и может найти применение в транспорте и энергетике.

Ключевое открытие

• Эффект зависит от размера группы: Аэродинамические взаимодействия помогают удерживать позицию в малых группах (до ~4 особей), но дестабилизируют большие группы, вызывая столкновения.
• Механизм для малых групп: Вихри потока от впереди летящей птицы помогают следующей за ней особи вернуться на место, если её сносит. Это позволяет формировать упорядоченную колонну автоматически, без дополнительных усилий.
• Проблема больших групп: В длинных цепочках взаимодействия вызывают резонансные колебания, которые нарастают по мере распространения по стае, сбивая птиц с позиций и приводя к столкновениям.

Метод исследования

Учёные смоделировали колонные построения птиц с помощью:

• Механизированных машущих крыльев, напечатанных на 3D-принтере.
• Экспериментов в воде, имитирующих обтекание воздухом крыльев в полёте.
• Математического моделирования, которое показало, что взаимодействия подобны пружинным силам, действующим в одном направлении (от лидера к следующей особи).

Важные следствия

• "Флононы": Исследователи назвали возникающие в стае волны колебаний "флононами" (по аналогии с фононами в физике материалов). Это указывает на связь с физикой материалов, где птицы в упорядоченной стае аналогичны атомам в кристалле.
• Энергетическая эффективность: Животные используют потоки, создаваемые другими членами группы, для экономии энергии и снижения сопротивления.
• Потенциальные применения: Результаты могут быть полезны для разработки эффективного движения в воздушной и водной среде, а также для получения энергии из потоков ветра, воды или волн.

Вывод: Физика аэродинамических взаимодействий облегчает формирование малых стай, но делает устойчивые длинные построения энергозатратными, так как задним членам стаи приходится постоянно корректировать положение.