2024-04-27 11:26 来源：得道网
在初春的这几个星期里仰望天空，你很可能会看到一群鸟儿齐声向北迁徙。但这些生物是如何以如此协调和看似毫不费力的方式飞行的呢?
一组数学家在一项新发表的研究中报告说，部分答案在于精确的、以前未知的空气动力学相互作用。它的突破拓宽了我们对包括鱼群在内的野生动物的认识，并可能在交通和能源领域得到应用。
“这一研究领域很重要，因为已知动物会利用群体中其他成员留下的气流，如空气或水，来节省移动或减少阻力或阻力所需的能量，”纽约大学科朗数学科学研究所副教授、该论文的资深作者雷夫·里斯特罗夫(Leif Ristroph)解释说。该论文发表在《自然通讯》杂志上。“我们的工作也可能应用于交通运输，比如在空气或水中的高效推进，以及能源，比如更有效地从风、水流或波浪中收集电力。”
研究小组的研究结果表明，空气动力学的影响取决于飞行群体的规模——对小群体有利，对大群体不利。
该论文的作者之一、École巴黎理工学院的助理教授苏菲·拉马纳里沃(Sophie Ramananarivo)指出:“小鸟群中的空气动力学相互作用帮助每个鸟群的成员相对于它们的主要邻居保持特定的特殊位置，但更大的鸟群会被一种效应打乱，这种效应会将成员从这些位置上赶出来，并可能导致碰撞。”
之前，Ristroph和他的同事们发现了鸟类是如何成群移动的，但这些发现是通过模拟两只鸟的相互作用的实验得出的。《自然通讯》的新研究将调查范围扩大到许多传单。
为了复制鸟类的柱状结构，它们一个接一个地排成一行，研究人员创造了机械的扑翼，就像鸟类的翅膀一样。翅膀是用塑料3d打印的，由马达驱动，在水中拍打，这复制了鸟类飞行时翅膀周围的空气流动方式。从实验视频中可以看到，这种“模拟羊群”在水中推进，可以自由地排成一行或队列。
这些流以不同的方式影响团队组织——这取决于团队的规模。
研究人员发现，对于最多只有4只苍蝇的小群体，每个成员都能从空气动力学的相互作用中获得帮助，从而保持相对于邻居的位置。
纽约大学应用数学实验室的主任Ristroph解释说:“如果一个飞行器从它的位置上移动了，由领先的邻居留下的漩涡或漩涡有助于将跟随者推回原位并保持在那里。”“这意味着这些传单可以自动排成有规则间距的有序队列，而不需要额外的努力，因为物理学完成了所有的工作。”
“然而，对于较大的群体来说，这些流动的相互作用会导致后来的成员被挤来挤去，并被甩出位置，通常会导致群体因成员之间的碰撞而崩溃。”这意味着在某些类型的鸟类中看到的很长的群体根本不容易形成，后来的成员可能不得不不断努力保持自己的位置，避免撞到邻居。”
然后，作者利用数学模型来更好地理解驱动实验结果的潜在力量。
在这里，他们得出的结论是，相邻之间以流动为媒介的相互作用，实际上是一种类似弹簧的力量，把每个成员都固定在原地——就好像火车的车厢是由弹簧连接起来的一样。
然而，这些“弹簧”只在一个方向上起作用——领头的鸟可以对它的追随者施加力，反之则不然——这种非互惠的相互作用意味着后面的成员往往会产生共鸣或剧烈振荡。
Joel Newbolt解释说:“这种振荡看起来像波浪，使成员前后摇晃，并在群体中传播并增加强度，导致后来的成员撞在一起。”Joel Newbolt是纽约大学物理学研究生，当时正在进行研究。
该团队将这些新型波命名为“flonons”，这是基于声子的类似概念，声子指的是由弹簧连接的质量系统中的振动波，用于模拟晶体或其他材料中的原子或分子的运动。
纽波特补充说:“因此，我们的发现提出了一些与材料物理学的有趣联系，其中有序鸟群中的鸟类类似于规则晶体中的原子。”
该研究的其他作者包括科朗研究所的尼古拉斯·刘易斯、玛蒂尔德·布鲁、吴佳杰和克里斯蒂安娜·马夫罗耶库姆。
这项工作得到了美国国家科学基金会(DMS-1847955, DMS-1646339)的资助。
