Секрет птичьего клина

Клин перелётных птиц одно из самых узнаваемых зрелищ в природе. Но почему они выстраиваются именно так и как каждая особь выбирает своё место в этом строю, учёные пытаются понять уже несколько десятилетий. Известно, что птицы используют восходящие потоки воздуха от крыльев впереди летящего сородича. Это позволяет им экономить энергию. Однако объяснить устойчивость всего строя и точное расположение птиц друг относительно друга оказалось сложной задачей.

Существующие компьютерные модели требуют сложных расчётов аэродинамики для каждого взмаха крыльев. Они дают реалистичные результаты, но не позволяют увидеть общие физические закономерности. Инженеры из Брауновского университета в США пошли другим путём. Они разработали минимальную модель, которая учитывает лишь ключевые эффекты. В основе лежит представление о вихревом следе, который каждая птица оставляет в воздухе после взмаха крыльев. Взаимодействие с этим следом определяет выгодность положения для следующей птицы.

Исследователи описали вихревой след с помощью простой математической схемы. Они не моделировали форму крыльев, отдельные перья или турбулентные потоки. Несмотря на упрощение, модель помогла вычислить силы, действующие на птицу, летящую позади другой. Оказалось, что оптимальная позиция возникает не прямо за впереди летящей птицей, а немного сбоку. Там восходящий участок вихревого следа обеспечивает максимальную аэродинамическую поддержку. Модель естественным образом воспроизвела характерное боковое смещение, которое орнитологи наблюдали у реальных птиц.

Инженеры также показали, что расположение птиц определяется не только стремлением получить подъёмную силу. Важную роль играет необходимость избегать зон нисходящего потока и сохранять устойчивость всего строя. В результате возникает ограниченный набор устойчивых положений, из которых и формируется V-образный клин.

При проверке модели на данных наблюдений за реальными птицами выяснилось, что она может объяснить несколько особенностей группового полёта, которые раньше описывали только эмпирически. Расчётные положения птиц в строю оказались близки к тем, что наблюдали у настоящих стай. Это означает, что для формирования устойчивого клина не обязательно предполагать наличие у птиц сложной стратегии навигации или постоянной передачи информации. Достаточно простого взаимодействия с воздушными потоками.

Авторы не утверждают, что птицы буквально решают математическую задачу во время полёта. Их поведение обусловлено эволюционным отбором. Особи, которые инстинктивно занимали более выгодные позиции относительно потоков воздуха, получали преимущество. Они тратили меньше энергии и были выносливее во время длительных перелётов.

Модель также объяснила, как клин поддерживается, несмотря на постоянные изменения. В реальной стае птицы непрерывно корректируют своё положение. Они могут смещаться вперёд или назад, менять высоту и расстояние до соседей. С точки зрения новой работы, такие перестройки связаны с изменениями аэродинамического взаимодействия. Они позволяют сохранять устойчивый полёт всей группы.

Понимание этих механизмов может помочь при создании автономных групп роботов и беспилотников. Например, алгоритмы управления дронами могли бы использовать схожие принципы для экономии энергии и более эффективного использования воздушных потоков.

У исследования есть ограничения. Модель не описывает все особенности птичьего полёта и не учитывает множество биологических факторов. Например, индивидуальные различия, особенности управления мышцами и социальные сигналы внутри стаи. Однако работа показала, что знаменитый птичий клин можно объяснить относительно простыми физическими принципами. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

?Geo

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: