När du tittar upp mot himlen under dessa tidiga vårveckor kan du mycket väl se en flock fåglar som rör sig i samklang när de vandrar norrut. Men hur flyger dessa varelser på ett så koordinerat och till synes enkelt sätt?
En del av svaret ligger i exakta, och tidigare okända, aerodynamiska interaktioner, rapporterar ett team av matematiker i en nyligen publicerad studie. Dess genombrott breddar vår förståelse för vilda djur, inklusive fiskar, som rör sig i skolor och kan ha tillämpningar inom transport och energi.
"Detta forskningsområde är viktigt eftersom djur är kända för att dra fördel av flöden, såsom luft eller vatten, som lämnas av andra medlemmar i en grupp för att spara på energin som behövs för att röra sig eller för att minska motståndet eller motståndet", förklarar Leif Ristroph, docent vid New York Universitys Courant Institute of Mathematical Sciences och seniorförfattare till artikeln, som visas i tidskriften Nature Communications .
"Vårt arbete kan också ha tillämpningar inom transport—som effektiv framdrivning genom luft eller vatten—och energi, som att mer effektivt skörda kraft från vind, vattenströmmar eller vågor."
Teamets resultat visar att aerodynamikens inverkan beror på storleken på den flygande gruppen – vilket gynnar små grupper och stör stora.
"De aerodynamiska interaktionerna i små fågelflockar hjälper varje medlem att hålla en viss speciell position i förhållande till sin ledande granne, men större grupper störs av en effekt som får medlemmarna att lossna från dessa positioner och kan orsaka kollisioner", konstaterar Sophie Ramananarivo, en biträdande professor. vid École Polytechnique Paris och en av tidningens författare.
Tidigare har Ristroph och hans kollegor avslöjat hur fåglar rör sig i grupper - men dessa fynd hämtades från experiment som efterliknade interaktionen mellan "två" fåglar. Den nya Nature Communications forskning utökade undersökningen till att stå för många flygblad.
För att replikera de kolumnformade formationerna av fåglar, där de ställer upp den ena direkt bakom den andra, skapade forskarna mekaniserade klaffar som fungerar som fågelvingar. Vingarna 3D-printades av plast och drevs av motorer för att flaxa i vatten, vilket replikerade hur luft strömmar runt fågelvingar under flygning.
Denna "skenflock" drev fram genom vatten och kunde fritt ordna sig inom en linje eller kö.
Flödena påverkade grupporganisationen på olika sätt – beroende på gruppens storlek.
För små grupper på upp till cirka fyra flygblad upptäckte forskarna en effekt genom vilken varje medlem får hjälp av de aerodynamiska interaktionerna för att hålla sin position i förhållande till sina grannar.
"Om ett flygblad förskjuts från sin position, hjälper virvlarna eller virvlarna av flöde som lämnats av den ledande grannen att trycka efterföljaren tillbaka på plats och hålla den där", förklarar Ristroph, chef för NYU:s tillämpade matematiklaboratorium, där experimenten utfördes . "Detta innebär att flygbladen automatiskt och utan extra ansträngning kan samlas i en ordnad kö med regelbundna avstånd, eftersom fysiken gör allt arbete.
"För större grupper gör emellertid dessa flödesinteraktioner att senare medlemmar knuffas runt och kastas ur position, vilket vanligtvis orsakar en sammanbrott av flocken på grund av kollisioner mellan medlemmarna. Detta betyder att de mycket långa grupperna som ses hos vissa typer av fåglar är inte alls lätt att bilda, och de senare medlemmarna måste sannolikt ständigt arbeta för att hålla sina positioner och undvika att krascha in i sina grannar."
Författarna använde sedan matematisk modellering för att bättre förstå de underliggande krafterna som driver de experimentella resultaten.
Här drog de slutsatsen att flödesmedierad interaktion mellan grannar i själva verket är fjäderliknande krafter som håller varje del på plats – precis som om vagnarna på ett tåg var förbundna med fjädrar.
Dessa "fjädrar" verkar dock bara i en riktning – en blyfågel kan utöva kraft på sin efterföljare, men inte vice versa – och denna icke-ömsesidiga interaktion gör att senare medlemmar tenderar att resonera eller svänga vilt.
"Oscillationerna ser ut som vågor som skakar medlemmarna framåt och bakåt och som färdas ner i gruppen och ökar i intensitet, vilket gör att senare medlemmar kraschar ihop", förklarar Joel Newbolt, som var en NYU doktorand i fysik vid tidpunkten för forskningen.
Teamet döpte dessa nya typer av vågor till "flononer", som är baserat på det liknande konceptet av fononer som hänvisar till vibrationsvågor i system av massor som är sammanlänkade av fjädrar och som används för att modellera rörelserna hos atomer eller molekyler i kristaller eller andra material .
"Våra fynd ger därför några intressanta kopplingar till materialfysik där fåglar i en ordnad flock är analoga med atomer i en vanlig kristall," tillägger Newbolt.
Mer information: Joel W. Newbolt et al, Flödesinteraktioner leder till självorganiserade flygformationer som störs av självförstärkande vågor, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47525-9
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av New York University
