Prilikom promatranja neba u ovim rano proljetnim tjednima, može se uočiti jato ptica koje se kreće u jedinstvenom redu dok migrira prema sjeveru. No, kako ove životinje postižu takvu koordiniranu i naizgled nezahtjevnu letačku sposobnost?

Odgovor djelomično leži u preciznim, do sada nepoznatim aerodinamičkim interakcijama, izvještava tim matematičara u svojoj nedavno objavljenoj studiji. Njihova otkrića proširuju naše razumijevanje divljih životinja, uključujući ribe koje se kreću u jatima, te bi mogla imati primjene u prometu i energetici.

"Ovo područje istraživanja je važno jer životinje poznato koriste tokove, poput zraka ili vode, koji ostaju iza drugih članova grupe kako bi uštedjele energiju potrebnu za kretanje ili kako bi smanjile otpor," objašnjava Leif Ristroph, docent na Institutu za matematičke znanosti Courant Sveučilišta New York i glavni autor članka koji je objavljen u časopisu Nature Communications. "Naš rad bi također mogao imati primjene u prometu – kao što je učinkoviti pogon kroz zrak ili vodu – i u energetici, na primjer u učinkovitijem dobivanju energije iz vjetra, vodenih struja ili valova."

Rezultati tima pokazuju da utjecaj aerodinamike ovisi o veličini leteće grupe – koristi manjim grupama dok ometa veće.

"Aerodinamičke interakcije u malim jatima ptica omogućuju svakom članu da zauzme posebnu poziciju u odnosu na svog predvodnika, dok veće grupe narušava efekt koji izbacuje članove iz tih pozicija i može dovesti do sudara," napominje Sophie Ramananarivo, docentica na Politehničkoj školi Pariz i jedna od autorica članka.

Prethodno su Ristroph i njegovi kolege istraživali kako se ptice kreću u grupama – no ta su otkrića proizašla iz eksperimenata koji su oponašali interakcije između dvije ptice. Novo istraživanje objavljeno u Nature Communications proširilo je istragu na veći broj letača.

Kako bi replicirali stupčaste formacije ptica, u kojima se one poredaju jedna iza druge, istraživači su stvorili mehanizirane lepršače koji djeluju poput ptica peraja. Krila su izrađena 3D tiskanjem od plastike i pokretana motorima kako bi lepršala u vodi, čime se oponaša kako zrak teče oko ptica peraja tijekom leta. Ova "lažna jata" su se kretala kroz vodu i mogla su se slobodno raspoređivati unutar linije ili reda, kako je vidljivo na video snimci eksperimenta:

Snimka uživo eksperimentalnog uređaja tijekom rada prikazuje pet folija koje sinkronizirano lepršaju gore-dolje, slobodno i interaktivno se krećući oko spremnika s vodom. Snimka dolazi iz Laboratorija za primijenjenu matematiku na Institutu za matematičke znanosti Courant Sveučilišta New York.

Tokovi utječu na organizaciju grupe na različite načine, ovisno o veličini grupe.

U manjim grupama, sastavljenim od otprilike četiri letača, istraživači su otkrili učinak po kojem svaki član dobiva pomoć od aerodinamičkih interakcija kako bi zadržao svoju poziciju u odnosu na susjede.

"Ako je letač pomaknut iz svoje pozicije, vrtlozi ili struje koje ostavlja vodeći susjed pomažu da se pratitelj vrati na svoje mjesto i zadrži ga," objašnjava Ristroph, direktor Laboratorija za primijenjenu matematiku na NYU, gdje su provedeni eksperimenti. "To znači da se letači mogu automatski i bez dodatnog napora organizirati u uredan red s redovitim razmakom, jer fizika obavlja sav posao.

"Za veće grupe, međutim, ove interakcije tokova uzrokuju da kasniji članovi budu potreseni i izbačeni iz pozicije, što obično dovodi do raspada jata zbog sudara među članovima. To znači da vrlo duge grupe kakve se vide kod nekih vrsta ptica nisu nimalo lako formirati, i kasniji članovi vjerojatno moraju stalno raditi na održavanju svojih pozicija i izbjegavanju sudara s susjedima."

Autori su potom primijenili matematičko modeliranje kako bi bolje razumjeli osnovne sile koje pokreću eksperimentalne rezultate.

Ovdje su zaključili da su interakcije posredovane tokom između susjeda zapravo sile nalik oprugama koje drže svakog člana na mjestu – baš kao da su vagoni vlaka povezani oprugama.

Međutim, ove "opruge" djeluju samo u jednom smjeru – vodeća ptica može vršiti silu na svog pratitelja, ali ne i obratno – i ova nerecipročna interakcija znači da kasniji članovi tendiraju oscilirati divlje.

"Oscilacije izgledaju kao valovi koji njišu članove naprijed-natrag i koji putuju niz grupu te se pojačavaju, uzrokujući da kasniji članovi sudare jedni s drugima," objašnjava Joel Newbolt, koji je u vrijeme istraživanja bio diplomski student fizike na NYU.

Tim je ovim novim tipovima valova dao ime "flononi", što se temelji na sličnom konceptu fonona koji se odnose na vibracijske valove u sustavima masa povezanih oprugama i koji se koriste za modeliranje kretanja atoma ili molekula u kristalima ili drugim materijalima.

"Naša otkrića stoga uspostavljaju neke zanimljive veze s fizikom materijala u kojoj su ptice u urednom jatu analogne atomima u redovitom kristalu," dodaje Newbolt.

Ostali autori studije uključuju Nickolasa Lewisa, Mathilde Bleu, Jiajie Wua i Christianu Mavroyiakoumou s Instituta Courant.

Izvor: New York University