Группа исследователей определила наилучшие способы плавания рыб стаями, которые лучше всего подходят для экономии энергии, а также для оптимизации скорости. Его результаты, опубликованные в журнале Physical Review X, указывают на потенциальные новые способы улучшения технологий производства энергии.
Работа, проведенная исследователями из Института математических наук Куранта при Нью-Йоркском университете, также подтверждает давнее убеждение: рыбы, плавающие упорядоченными группами или формами, тратят меньше энергии и двигаются быстрее, чем при плавании в одиночку.
«Животные придумали несколько интересных трюков, которые могут экономить энергию и двигаться быстрее, и это поведение может привести к созданию новых устройств для сбора энергии и движения», - говорит Лейф Ристроф, доцент Института Куранта и один из соавторы статьи. «Наша модель может дать информацию о том, как оптимизировать такие технологии».
Используя новый тип математической модели, команда, в которую также входили Майкл Шелли, профессор Института Куранта, и Ананд Оза, доцент Технологического института Нью-Джерси, сосредоточилась на нескольких схемах расположения пловцов. чтобы увидеть, какие из них были лучшими с точки зрения экономии энергии, необходимой для плавания, и увеличения скорости плавания для группы. В частности, с помощью компьютерного моделирования они исследовали, как несколько взмахивающих руками пловцов создают вихри или закрученные потоки, а также взаимодействуют с вихревыми потоками, создаваемыми другими в школе.
В каждой протестированной школьной конфигурации группа пловцов использовала меньше энергии и двигалась быстрее, чем одиночные пловцы, с некоторыми заметными различиями между этими схемами:
- Расстановка фаланг, в которой рыбы выстраиваются бок о бок, продемонстрировала скромные улучшения по сравнению с одиночным пловцом;
- Тандемные формации, в которых рыбы выстраиваются гуськом одна за другой, продемонстрировали еще большее улучшение по сравнению с одиночным пловцом;
- Прямоугольные решетчатые образования, которые объединяют фаланги и тандемы, так что каждая рыба имеет соседей непосредственно выше по течению, ниже по течению и с обеих сторон, превосходили как тандемные, так и фаланговые косяки;
- Ромбовидные решетки, в которых каждая рыба имеет одного непосредственного соседа вверх по течению, а также двух соседей выше по течению и несколько смещенных в каждую сторону, дали наибольшую скорость и наибольшую экономию энергии, т. е. наилучшую протестированную формацию.
Исследователи отмечают, что в косяках рыб наблюдались как фаланга, так и ромбовидная решетка, при этом меньшие косяки, как правило, принимают фалангу, а более крупные косяки выбирают ромбовидную решетку.
«Сформулировав математическую модель, способную обрабатывать множество пловцов, взаимодействующих через их коллективно генерируемые потоки, мы думаем, что предложили конкретную поддержку идее о том, что стайная рыба может извлечь выгоду из взаимодействия потоков», - отмечает Ристроф. «Мы также надеемся применить эти же методы к другим связанным проблемам, например, к летящим группам птиц».