Dio odgovora na pitanje „kako ptice lete tako koordinirano i naizgled bez napora?“ leži u preciznim, i prethodno nepoznatim, aerodinamičkim interakcijama, izvještava tim matematičara u nedavno objavljenoj studiji. Njihov proboj proširuje naše razumijevanje divljih životinja – pogotovo ptica – uključujući ribe, koje se kreću u jatima, i može imati primjene u transportu i energiji.
“Ovo područje istraživanja je važno jer je poznato da životinje koriste struje, poput zraka ili vode, ostavljene od strane drugih članova grupe kako bi uštedjele energiju potrebnu za kretanje ili smanjile otpor,” objašnjava Leif Ristroph, docent na New York University Courant Institute of Mathematical Sciences i glavni autor rada koji se pojavljuje u časopisu Nature Communications.
“Naš rad također može imati primjene u transportu—kao što je učinkovito kretanje kroz zrak ili vodu i energiji, kao što je učinkovitije korištenje snage vjetra, vodene struje ili valova.”
Rezultati tima pokazuju da utjecaj aerodinamike ovisi o veličini letačke grupe: koristi malim grupama, ali ometa velike
“Aerodinamičke interakcije u malim jatima ptica pomažu svakom članu da zadrži određeni poseban položaj u odnosu na svojeg vodećeg susjeda, ali veće grupe ometaju učinak koji odvaja članove iz tih položaja i može dovesti do sudara,” primjećuje Sophie Ramananarivo, docentica na École Polytechnique Paris i jedna od autora rada.
Ranije, Ristroph i njegove kolege otkrili su kako se ptice kreću u grupama, ali ti su nalazi proizašli iz eksperimenata koji su imitirali interakcije dviju ptica. Nova istraživanja u časopisu Nature Communications proširila su upitnik kako bi uključila mnogo letača. Da bi replicirali stupne formacije ptica, u kojima se raspoređuju jedan iza drugog, istraživači su stvorili mehanizirane mlatove koji djeluju poput krila ptica. Krila su 3D-printana od plastike i pokretana motorima kako bi se mlatila u vodi, što simulira kako zrak struji oko krila ptica tijekom leta. Ovo “lažno jato” guralo se kroz vodu i moglo se slobodno rasporediti u liniju ili red, kao što je prikazano u videu eksperimenta:
Struje su utjecale na organizaciju grupe na različite načine—ovisno o veličini grupe
Za male grupe do otprilike četiri letača, istraživači su otkrili učinak prema kojem svaki član dobiva pomoć od aerodinamičkih interakcija u održavanju svog položaja u odnosu na svoje susjede.
“Ako je letač pomaknut iz svog položaja, vrtlozi ili zavoji struje ostavljeni od strane vodećeg susjeda pomažu gurnuti sljedbenika natrag na mjesto i zadržati ga tamo,” objašnjava Ristroph, direktor Applied Mathematics Laboratory na NYU, gdje su provedeni eksperimenti. “To znači da se letači mogu sastaviti u uredan red s redovitim razmacima automatski i bez dodatnog napora, jer fizika obavlja sav posao. Za veće grupe, međutim, ove interakcije struje uzrokuju da kasniji članovi budu prodrmani i izbačeni iz položaja, što obično uzrokuje raspada jata zbog sudara među članovima. To znači da vrlo velika jata kod nekih vrsta ptica uopće nije lako formirati, a kasniji članovi vjerojatno moraju stalno raditi kako bi zadržali svoje položaje i izbjegli sudare s susjedima.”
Zatim su autori primijenili matematičko modeliranje kako bi bolje razumjeli temeljne sile koje pokreću eksperimentalne rezultate
Ovdje su zaključili da su interakcije posredovane strujama između susjeda, zapravo, sile koje drže svakog člana na mjestu: kao da su vagoni vlaka povezani oprugama. Međutim, ove “opruge” djeluju samo u jednom smjeru: ptica vodilja može izvršiti silu na svog sljedbenika, ali ne obrnuto i ova nerecipročna interakcija znači da kasniji članovi obično rezoniraju ili osciliraju jače.
“Oscilacije izgledaju poput valova koji trese članove naprijed-nazad i koji putuju niz grupu i povećavaju se u intenzitetu, što uzrokuje sudare članova,” objašnjava Joel Newbolt, koji je bio student fizike na NYU u vrijeme istraživanja.
Otkriće aerodinamičkih interakcija ptica koje lete u jatima proširuje naše razumijevanje divljih životinja i može imati primjene u transportu i energiji.
