Инженеры выяснили, как птицы выстраиваются в идеальный клин

С 1970-х годов известно, что птицы способны экономить энергию, используя восходящие потоки воздуха, которые возникают на концах крыльев летящего впереди сородича. Воздух отклоняется вверх, поэтому следующей птице требуется прикладывать меньше усилий для поддержания высоты. Поэтому многие крупные перелетные птицы — например, гуси, пеликаны и журавли — часто образуют V-образный строй, или клин.

Объяснить, почему птицы располагаются именно на определенном расстоянии друг от друга и каким образом весь строй остается устойчивым, оказалось значительно сложнее. Существующие компьютерные модели обычно требуют моделирования сложной трехмерной аэродинамики каждого взмаха крыльев, взаимодействия множества вихрей и поведения нескольких птиц. Такие расчеты дают реалистичные результаты, но плохо подходят для поиска общих физических закономерностей.

Специалисты из Инженерной школы Брауновского университета (США) пошли другим путем. Вместо максимально детального описания они разработали минимальную модель, которая учитывает лишь наиболее важные аэродинамические эффекты. В основе — представление о том, что каждая птица при взмахе крыльями оставляет за собой систему вихрей, то есть своеобразный след в воздухе. Именно взаимодействие с этим следом определяет, насколько выгодным окажется положение следующей птицы.

Исследователи описали вихревой след с помощью сравнительно простой математической схемы, не моделируя форму крыльев, отдельные перья или сложную структуру турбулентных потоков. Несмотря на упрощение, модель помогла вычислить силы, действующие на птицу, которая летит позади другой, и определить, какие положения наиболее энергетически выгодны.

Вживленные дроздам датчики не подтвердили выгоду перелетов на зимовку Во время сезонной миграции птицам приходится преодолевать сотни и тысячи километров, расходуя большое количество энергии и сталкиваясь со множеством опасностей. Считалось, что эти издержки в дальне… naked-science.ru

Как оказалось, оптимальная позиция возникает не непосредственно за впереди летящей птицей, а немного сбоку от нее — там, где восходящий участок вихревого следа обеспечивает максимальную аэродинамическую поддержку. Модель естественным образом воспроизвела характерное боковое смещение, которое орнитологи фиксировали у настоящих птиц во время полета.

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

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

Авторы научной работы не утверждают, что птицы буквально решают математическую задачу во время полета. Скорее, их поведение обусловлено эволюционным отбором: особи, которые инстинктивно занимали более выгодные позиции относительно потоков воздуха, получали преимущество благодаря меньшим затратам энергии и большей выносливости во время длительных перелетов.

Одним из важных результатов исследования стало то, что модель позволила объяснить не только существование клиновидного строя, а еще возможность его поддержания. В реальной стае птицы постоянно меняют положение: могут немного смещаться вперед или назад, корректировать высоту и расстояние до соседей. С точки зрения новой научной работы такие перестройки связаны с изменениями аэродинамического взаимодействия между птицами и позволяют сохранять устойчивый полет всей группы.

Понимание того, как живые организмы используют физику окружающей среды для коллективного движения, может помочь при создании автономных групп роботов и беспилотных летательных аппаратов. Например, алгоритмы управления дронами могли бы использовать похожие принципы для движения в группе с меньшими затратами энергии и более эффективным использованием воздушных потоков.

Квантовые эффекты помогают птицам чувствовать направление магнитного поля Земли Ученые впервые напрямую исследовали работу магниточувствительных белков птиц, показав, что на внешнее поле они реагируют благодаря спиновым эффектам из квантовой механики. naked-science.ru

Конечно, у исследования есть ограничения. Поскольку модель упростили, она не описывает все особенности птичьего полета и не учитывает множество биологических факторов — к примеру, индивидуальные различия, особенности управления мышцами или возможные социальные сигналы внутри стаи. Кроме того, ученые рассматривали прежде всего аэродинамическое взаимодействие, а не все причины, которые могут влиять на выбор позиции в строю. Тем не менее научная работа показала, что знаменитый птичий клин реально объяснить относительно простыми физическими принципами.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.