Концерт движения, которым славятся косяки рыб, - это не просто тщательно продуманная демонстрация синхронного плавания. Их кажущиеся телепатическими коллективные движения являются частью проверенной временем стратегии повышения шансов группы на выживание в целом, от защиты от хищников до поиска пищи и спаривания..
Исследование, опубликованное в Physical Review X, предлагает новые подробности, которые показывают, как водные потоки, создаваемые определенными стаями рыб, могут приносить пользу каждому из его отдельных членов еще одним способом - гидродинамически.
Исследовательская группа из Технологического института Нью-Джерси (NJIT) и Нью-Йоркского университета (NYU) продемонстрировала новую математическую модель, способную определить, какие схемы дают школьным пловцам наибольшее преимущество, когда речь идет об энергоэффективности и скорости., особенно по сравнению с бескосячными рыбами.
Исследователи говорят, что исследование предлагает физическую картину, которая иллюстрирует, как на пловцов в косяках рыб влияет постоянная связь между взмахами крыльев каждого пловца и постоянными вихрями потока, создаваемыми коллективом.
«Существует много научной литературы, в которой основное внимание уделяется динамике косяков рыб и социальным взаимодействиям, которые их формируют, таким как, например, необходимость занимать формации для избегания хищников», - сказал Ананд Оза, доцент. на факультете математики NJIT и один из авторов исследования. «Однако гидродинамике часто пренебрегали… «Могут ли потоки жидкости действительно влиять на структуру школ?». Что я нахожу захватывающим, так это то, что с помощью этого исследования мы теперь можем количественно указать, как гидродинамика может помочь или даже помешать школе».
Команда изучила четыре распространенных типа формирования косяка рыбы в движении: линейное построение, однорядное построение «фаланга», прямоугольное «решетчатое» построение; и образования алмазной решетки.
Применяя экспериментальные данные предыдущих исследований, проведенных в Нью-Йоркском университете, к своей модели, команда зафиксировала ряд тонких гидродинамических взаимодействий, которые происходят в различных косяках рыб, показывая, сколько энергии было выделено каждой рыбой из их взмахивающих движений, когда они плавали в их строю. Модель команды также отслеживала силы, возникающие из-за небольших водоворотов, которые пловцы сбрасывают с каждым гребком, показывая, насколько рыбы продвигаются вперед вихревыми потоками, создаваемыми их одноклассниками.
В целом, компьютерное моделирование команды показало, что косяки, сформированные в одну линию поперек (фаланги), имеют предельную скорость и экономию энергии по сравнению с одиночными пловцами, в то время как линейные и прямоугольные решетчатые формирования предлагают существенные улучшения. Однако ученые заметили, что рыба, организованная в виде ромбовидной решетки, получает наибольшее гидродинамическое преимущество.
«Обнаружение того, что ромбовидная форма является лучшей, не было совершенно неожиданным, но мы узнали, что все бриллианты не одинаковы… геометрия имеет значение. Как правило, чем тоньше ромбовидная форма, тем лучше производительность», - пояснил Оза.
Оза теперь говорит, что их команда надеется развить свою модель дальше, чтобы изучить подобную динамику в птичьих стаях. Результаты могут иметь инженерное применение в области сбора энергии и двигателей, возможно, таким образом, что они могут быть полезны для разработки более эффективных ветряных электростанций.
«Нам необходимо дополнительно проверить нашу модель и провести дополнительные тесты, но в идеале я мог бы увидеть концептуально похожие модели, которые помогут определить, как расположить ветряные турбины вместе, чтобы получить наилучшую выходную мощность», - сказал Оза. «Мы также хотели бы использовать эту модель, чтобы посмотреть, как вихри и опосредованная жидкостью память могут влиять на коллективное поведение плотно упакованных или беспорядочных стай и стад. Это захватывающий взгляд в будущее, который мало изучен."