Глядя в небо в первые недели весны, можно увидеть стаи птиц, гармонично летящих на север. Но как этим существам удается летать так скоординированно и, казалось бы, без усилий?

Частично ответ на этот вопрос кроется в точных и ранее неизвестных аэродинамических взаимодействиях, сообщает команда математиков Нью-Йоркского университета в недавно опубликованном исследовании в журнале Nature Communications. Это открытие расширяет наше понимание дикой природы, включая рыб, которые также часто передвигаются большими группами – косяками, и может найти применение в транспорте и энергетике. Эта область исследований важна, поскольку известно, что животные используют потоки, воздуха или воды, оставляемые другими членами группы, чтобы сэкономить энергию, необходимую для передвижения, или уменьшить сопротивление. Работа также может найти применение в области транспорта – например, в решении проблем более эффективного перемещения по воздуху или воде – и энергетики, например, для более полного использования энергии ветра, водных течений или волн.

Результаты работы команды показывают, что влияние аэродинамики зависит от размера летающей группы – она приносит пользу небольшим группам и вредит большим. Аэродинамические взаимодействия в небольших птичьих стаях помогают каждому члену группы занимать определённое положение по отношению к своему соседу-лидеру, но более крупные группы нарушаются из-за эффекта, который смещает членов группы с этих позиций и может привести к столкновениям.

Для небольших групп, состоящих примерно из четырёх птиц, исследователи обнаружили эффект, благодаря которому аэродинамические взаимодействия помогают каждому участнику удерживать свое положение относительно соседей. Исследователи выяснили, что если птица смещается со своего места, завихрения потока, оставленные соседом-лидером, помогают вернуть её на место и удерживать там. Это означает, что птицы могут выстраиваться в упорядоченную очередь на равном расстоянии друг от друга автоматически и без дополнительных усилий, поскольку физика делает всю работу за них.

Однако в больших группах эти взаимодействия в потоке приводят к тому, что более поздние участники толкаются и сбиваются с позиции, что обычно приводит к распаду стаи из-за столкновений между участниками. Это означает, что очень длинные группы, наблюдаемые у некоторых видов птиц, совсем не просто сформировать, и более поздним членам стаи, вероятно, приходится постоянно работать, чтобы удерживать свои позиции и не врезаться в соседей.

Чтобы лучше понять причины, лежащие в основе экспериментальных, авторы применили математическое моделирование. В результате, они пришли к выводу, что опосредованные потоком взаимодействия между соседними элементами (птицами), по сути, представляют собой пружиноподобные силы, которые удерживают каждый элемент на месте – точно так же, как если бы вагоны поезда были соединены пружинами. Однако эти «пружины» действуют только в одном направлении – ведущая птица может оказывать давление на свою следующую, но не наоборот. Колебания выглядят как волны, которые раскачивают участников вперед и назад, распространяются по группе и усиливаются, в результате чего последующие участники сталкиваются. Таким образом, результаты выявляют некоторые интересные связи с физикой материалов, в которой колебания птиц в упорядоченной стае аналогичны колебаниям атомов в обычном кристалле.