Ученые открыли ранее неизвестный аэродинамический феномен: птицы умеют использовать законы физики, летая в стаях

Исследование показывает, что птицы в небольших стаях используют аэродинамическое взаимодействие для поддержания формы без особых усилий, в то время как большие группы сталкиваются с нарушениями. Это исследование может повлиять на транспортную и энергетическую отрасли, а также представляет «флононы» — новую концепцию, связывающую поведение стаи с физикой материалов.

Наблюдая за стаей птиц, некоторые задумывались о том, как эти существа летают так слаженно и, казалось бы, без усилий. Частично ответ кроется в точных и ранее неизвестных аэродинамических взаимодействиях, сообщает группа математиков в недавно опубликованном исследовании.

Это открытие расширяет человеческие представления о дикой природе, включая рыб, которые перемещаются группами, и может найти применение в транспорте и энергетике. «Эта область исследований важна, поскольку известно, что животные пользуются потоками, например, воздуха или воды, оставленными другими членами группы, чтобы сэкономить энергию, необходимую для движения, или уменьшить сопротивление», — объясняет Лейф Ристроф.

«Наша работа может найти применение в транспорте — например, для эффективного движения по воздуху или воде — и в энергетике, например, для более эффективного получения энергии от ветра, водных потоков или волн», — добавил Ристроф. Результаты работы показывают, что влияние аэродинамики зависит от размера летящей группы, принося пользу маленьким группам и нарушая работу больших.

Аэродинамические взаимодействия в небольших птичьих стаях помогают каждому члену группы занимать определенное, особое положение относительно своего ведущего соседа, но в больших группах взаимодействия нарушаются из-за эффекта, который смещает членов группы с позиций и может привести к столкновениям, говорит Софи Рамананариво, доцент Парижской политехнической школы и одна из авторов работы.

Ранее Ристроф и его коллеги выяснили, как птицы перемещаются в группах, но эти выводы были сделаны на основе экспериментов, имитирующих взаимодействие двух птиц. В новом исследовании этот вопрос был расширен, чтобы учесть множество летящих птиц. Чтобы воспроизвести колонны, в которые выстраиваются птицы одна за другой, исследователи создали механизированные закрылки, которые действуют как крылья птиц.

Крылья были напечатаны на 3D-принтере из пластика и приводились в движение моторами, чтобы взмахивать в воде, имитируя то, как воздух обтекает крылья птицы во время полета. Эта «имитация стаи» двигалась по воде и могла свободно выстраиваться в линию или очередь.

Потоки по-разному влияли на организацию группы — в зависимости от ее размера. Для небольших групп, состоящих примерно из четырех птиц, исследователи обнаружили эффект, при котором каждый член группы получает помощь от аэродинамических взаимодействий в удержании своего положения относительно соседей.

«Если летящий смещается со своего места, то вихри или завихрения потока, оставленные ведущим соседом, помогают второму вернуться на место и удерживают его там, — объясняет Ристроф. — Это означает, что летящие могут собираться в упорядоченную очередь с регулярными интервалами автоматически и без дополнительных усилий, поскольку всю работу делает физика».

Однако в больших группах эти взаимодействия потоков приводят к тому, что некоторые члены сталкиваются и отбрасываются с места, что обычно приводит к распаду стаи. Это означает, что очень большие группы, наблюдаемые у некоторых видов птиц, формируются совсем не просто и «дальним» членам, вероятно, приходится постоянно работать, чтобы удерживать свои позиции и не врезаться в соседей.

Затем авторы применили математическое моделирование, чтобы лучше понять, какие силы лежат в основе экспериментальных результатов. Они пришли к выводу, что взаимодействие между соседями, опосредованное потоком, по сути, является пружиной, которая удерживает каждого члена стаи на месте, — как если бы вагоны поезда были соединены пружинами.

Однако эти «пружины» действуют только в одном направлении: ведущая птица может влиять на последующую, но не наоборот, и это одностороннее взаимодействие означает, что последующие члены склонны к резонансу.

Ученые определили, как появились на Земле птицы и какое количество перьев у них «правильное». Анализ сотен сохранившихся образцов птиц из музейных коллекций по всему миру показал, что количество первостепенных маховых, а также симметрия перьев и пропорции крыльев у всех известных современных птиц обусловливают их способность летать. Это открытие позволит выяснить, какие динозавры имели такую способность.