מחקר מגלה שציפורים בלהקות קטנות משתמשות באינטראקציות אווירודינמיות כדי לשמור על היווצרות ללא מאמץ, בעוד שקבוצות גדולות יותר מתמודדות עם שיבושים. מחקר זה עשוי להשפיע על מגזרי התחבורה והאנרגיה, ומציג "פלונים", מושג חדש המקשר בין התנהגות עדר לפיזיקה החומרית.
ממצאים אלה יכולים להיות שימושיים בתחומי התחבורה והאנרגיה.
בעודכם מביטים אל השמיים בשבועות הראשונים של האביב, אתם עשויים להבחין בלהקת ציפורים גולשת צפונה בהרמוניה מושלמת. אבל איך היצורים האלה עפים בצורה כל כך מתואמת ולכאורה חסרת מאמץ?
חלק מהתשובה טמון באינטראקציות אווירודינמיות מדויקות ולא ידועות עד כה, מדווח צוות של מתמטיקאים במחקר שפורסם לאחרונה. פריצת הדרך שלו מרחיבה את ההבנה שלנו לגבי חיות הבר, כולל דגים, שנעים בבתי ספר, ויכולים להיות להם יישומים בתחום תחבורה ואנרגיה.
"תחום המחקר הזה חשוב מכיוון שידוע שבעלי חיים מנצלים את הזרימות, כמו אוויר או מים, שהשאירו חברים אחרים בקבוצה כדי לחסוך באנרגיה הדרושה לנוע או כדי להפחית גרר או התנגדות", מסביר לייף ריסטרוף, פרופסור חבר במכון Courant למדעי המתמטיקה של אוניברסיטת ניו יורק והמחבר הבכיר של המאמר, המופיע בכתב העת תקשורת טבע. "לעבודה שלנו עשויות להיות גם יישומים בתחום התחבורה – כמו הנעה יעילה באוויר או במים – ובאנרגיה, כמו קצירת כוח בצורה יעילה יותר מרוח, זרמי מים או גלים."
השפעות אווירודינמיות על היווצרות צאן
התוצאות של הצוות מראות שהשפעת האווירודינמיקה תלויה בגודל הקבוצה המעופפת – מועילה לקבוצות קטנות ומשבשת גדולות.
"האינטראקציות האווירודינמיות בלהקות ציפורים קטנות עוזרות לכל חבר להחזיק בעמדה מיוחדת מסוימת ביחס לשכן המוביל, אך קבוצות גדולות יותר מופרעות על ידי אפקט שמרחיק חברים מתפקידים אלה ועלול לגרום להתנגשויות", מציינת סופי רמננריבו, אסיסטנטית פרופסור. ב-École Polytechnique Paris ואחד ממחברי העיתון.
בעבר, ריסטרוף ועמיתיו חשפו כיצד ציפורים נעות בקבוצות – אך ממצאים אלו נשאבו מניסויים המחקים את האינטראקציות של שתיים ציפורים. החדש תקשורת טבע מחקר הרחיב את החקירה כדי להסביר עלונים רבים.
כדי לשכפל את תצורות העמודים של ציפורים, שבהן הן מסתדרות אחת ישירות מאחורי השנייה, החוקרים יצרו כנפיים ממוכנות הפועלות כמו כנפי ציפורים. הכנפיים הודפסו בתלת מימד מפלסטיק והונעו על ידי מנועים להתנופף במים, מה ששחזר את האופן שבו האוויר זורם סביב כנפי הציפורים במהלך הטיסה. "הלהקה המדומה" הזו התנועעה במים ויכלה לסדר את עצמה בחופשיות בתוך קו או תור, כפי שניתן לראות בסרטון של הניסוי.
הקלטה חיה של מנגנון הניסוי בפעולה. חמישה רדידים מונעים להתנופף למעלה ולמטה ביחד, והם נעים בחופשיות ובאינטראקטיביות סביב מיכל מים. קרדיט: באדיבות המעבדה למתמטיקה יישומית של NYU במכון Courant למדעי המתמטיקה.
הזרימות השפיעו על ארגון הקבוצה בדרכים שונות – בהתאם לגודל הקבוצה.
עבור קבוצות קטנות של עד כארבעה עלונים, החוקרים גילו אפקט שבאמצעותו כל חבר מקבל עזרה מהאינטראקציות האווירודינמיות בשמירה על מיקומו ביחס לשכניו.
"אם עלון נעקר ממקומו, המערבולות או מערבולות הזרימה שהותיר השכן המוביל עוזרות לדחוף את העוקב בחזרה למקומו ולהחזיק אותו שם", מסביר ריסטרוף, מנהל המעבדה למתמטיקה יישומית של NYU, שם נערכו הניסויים . "זה אומר שהפליירים יכולים להתכנס לתור מסודר של מרווחים קבועים באופן אוטומטי וללא מאמץ נוסף, מכיוון שהפיסיקה עושה את כל העבודה.
"עם זאת, עבור קבוצות גדולות יותר, אינטראקציות זרימה אלו גורמות לחברים מאוחרים להידחף ולהיפטר ממצבם, מה שגורם בדרך כלל להתמוטטות של הלהקה עקב התנגשויות בין חברים. זה אומר שהקבוצות הארוכות מאוד שרואים בסוגים מסוימים של ציפורים בכלל לא קלות ליצירת, והחברים המאוחרים יותר כנראה צריכים לעבוד כל הזמן כדי להחזיק את עמדותיהם ולהימנע מהתרסקות בשכניהם."
תובנות מתמטיות על דינמיקת צאן
לאחר מכן, החוקרים פרסו מודלים מתמטיים כדי להבין טוב יותר את הכוחות הבסיסיים המניעים את תוצאות הניסוי.
כאן, הם הגיעו למסקנה שאינטראקציות מתווכות זרימה בין שכנים הן, למעשה, כוחות דמויי קפיץ שמחזיקים כל איבר במקומו – ממש כאילו קרונות רכבת מחוברים בקפיצים.
עם זאת, ה"מעיינות" הללו פועלים רק בכיוון אחד – ציפור מובילה יכולה להפעיל כוח על חסידיה, אך לא להיפך – ואינטראקציה לא הדדית זו פירושה שחברים מאוחרים יותר נוטים להדהד או להתנודד בפראות.
"התנודות נראות כמו גלים שמניעים את החברים קדימה ואחורה ואשר נעים במורד הקבוצה ומתגברים בעוצמתם, מה שגורם לחברים מאוחרים יותר להתרסק יחד", מסביר ג'ואל ניובולט, שהיה סטודנט לתואר שני בפיזיקה של NYU בזמן המחקר.
הצוות כינה סוגי גלים חדשים אלה "פלונים", המבוסס על תפיסה דומה של פונונים המתייחסים לגלים רטט במערכות של מסות המקושרות על ידי קפיצים ואשר משמשים למודל של תנועות אטומים או מולקולות בגבישים או חומרים אחרים. .
"לכן הממצאים שלנו מעלים כמה קשרים מעניינים לפיזיקה החומרית שבה ציפורים בלהקה מסודרת דומות לאטומים בגביש רגיל", מוסיף ניובולט.
המחברים האחרים של המחקר כללו את ניקולאס לואיס ממכון Courant, מתילדה בלו, ג'יאג'י וו וכריסטיאנה מאברויאקומו.
העבודה נתמכה על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדע (DMS-1847955, DMS-1646339).
