Um estudo revela que as aves em pequenos bandos utilizam interações aerodinâmicas para manter a formação sem esforço, enquanto grupos maiores enfrentam perturbações. Esta investigação poderá influenciar os sectores dos transportes e da energia, e introduz os “flonons”, um novo conceito que liga o comportamento do rebanho à física dos materiais.
Essas descobertas podem ser úteis nas áreas de transporte e energia.
Ao olhar para o céu nas primeiras semanas da primavera, você poderá avistar um bando de pássaros voando para o norte em perfeita harmonia. Mas como é que estas criaturas voam de uma forma tão coordenada e aparentemente sem esforço?
Parte da resposta reside em interações aerodinâmicas precisas e até então desconhecidas, relata uma equipe de matemáticos em um estudo recém-publicado. O seu avanço alarga a nossa compreensão da vida selvagem, incluindo os peixes, que se movimentam nos cardumes, e poderá ter aplicações nos transportes e na energia.
“Essa área de pesquisa é importante porque se sabe que os animais aproveitam os fluxos, como de ar ou de água, deixados por outros membros de um grupo para economizar a energia necessária para se mover ou para reduzir o arrasto ou a resistência”, explica Leif. Ristroph, professor associado do Instituto Courant de Ciências Matemáticas da Universidade de Nova York e autor sênior do artigo, que aparece na revista Comunicações da Natureza. “Nosso trabalho também pode ter aplicações em transporte – como propulsão eficiente através do ar ou da água – e energia, como a captação mais eficaz de energia do vento, correntes de água ou ondas.”
Efeitos aerodinâmicos na formação de bandos
Os resultados da equipe mostram que o impacto da aerodinâmica depende do tamanho do grupo voador – beneficiando grupos pequenos e prejudicando os grandes.
“As interações aerodinâmicas em pequenos bandos de pássaros ajudam cada membro a manter uma determinada posição especial em relação ao seu vizinho principal, mas grupos maiores são perturbados por um efeito que desaloja os membros dessas posições e pode causar colisões”, observa Sophie Ramananarivo, professora assistente. na École Polytechnique Paris e um dos autores do artigo.
Anteriormente, Ristroph e seus colegas descoberto como os pássaros se movem em grupos – mas essas descobertas foram extraídas de experimentos que imitam as interações de dois pássaros. O novo Comunicações da Natureza a pesquisa expandiu a investigação para dar conta de muitos panfletos.
Para replicar as formações colunares dos pássaros, em que se alinham um atrás do outro, os pesquisadores criaram melindrosas mecanizadas que funcionam como asas de pássaros. As asas foram impressas em 3D em plástico e acionadas por motores para bater na água, o que reproduzia a forma como o ar flui ao redor das asas dos pássaros durante o vôo. Este “rebanho simulado” impulsionava-se através da água e podia organizar-se livremente dentro de uma fila ou fila, como pode ser visto num vídeo da experiência.
Uma gravação ao vivo do aparato experimental em operação. Cinco folhas são movidas para cima e para baixo em uníssono e se impulsionam de forma livre e interativa em torno de um tanque de água. Crédito: Cortesia do Laboratório de Matemática Aplicada da NYU no Courant Institute of Mathematical Sciences.
Os fluxos afectaram a organização do grupo de diferentes maneiras – dependendo do tamanho do grupo.
Para pequenos grupos de até quatro passageiros, os investigadores descobriram um efeito pelo qual cada membro obtém ajuda das interações aerodinâmicas para manter a sua posição em relação aos seus vizinhos.
“Se um voador for deslocado de sua posição, os vórtices ou redemoinhos de fluxo deixados pelo vizinho líder ajudam a empurrar o seguidor de volta ao lugar e mantê-lo ali”, explica Ristroph, diretor do Laboratório de Matemática Aplicada da NYU, onde os experimentos foram conduzidos. . “Isso significa que os folhetos podem ser montados em uma fila ordenada com espaçamento regular automaticamente e sem esforço extra, já que a física faz todo o trabalho.
“Para grupos maiores, no entanto, essas interações de fluxo fazem com que os membros posteriores sejam empurrados e jogados fora de posição, normalmente causando um colapso do rebanho devido a colisões entre os membros. Isto significa que os grupos muito longos observados em alguns tipos de aves não são nada fáceis de formar, e os membros posteriores provavelmente terão de trabalhar constantemente para manter as suas posições e evitar colidir com os seus vizinhos.”
Insights matemáticos sobre a dinâmica do rebanho
Os autores então implantaram a modelagem matemática para compreender melhor as forças subjacentes que impulsionam os resultados experimentais.
Aqui, eles concluíram que as interações mediadas pelo fluxo entre vizinhos são, na verdade, forças semelhantes a molas que mantêm cada membro no lugar – como se os vagões de um trem estivessem conectados por molas.
No entanto, estas “molas” actuam apenas numa direcção – um pássaro líder pode exercer força sobre o seu seguidor, mas não vice-versa – e esta interacção não recíproca significa que os membros posteriores tendem a ressoar ou oscilar descontroladamente.
“As oscilações parecem ondas que balançam os membros para frente e para trás e que percorrem o grupo e aumentam de intensidade, fazendo com que os membros posteriores colidam”, explica Joel Newbolt, que era estudante de pós-graduação em física na NYU na época da pesquisa.
A equipe chamou esses novos tipos de ondas de “flonons”, que se baseia no conceito semelhante de fônons que se referem a ondas vibracionais em sistemas de massas ligados por molas e que são usados para modelar os movimentos de átomos ou moléculas em cristais ou outros materiais. .
“As nossas descobertas levantam, portanto, algumas ligações interessantes com a física dos materiais, nas quais os pássaros num bando ordenado são análogos aos átomos num cristal regular”, acrescenta Newbolt.
Referência: “As interações de fluxo levam a formações de voo auto-organizadas interrompidas por ondas autoamplificadoras” por Joel W. Newbolt, Nickolas Lewis, Mathilde Bleu, Jiajie Wu, Christiana Mavroyiakoumou, Sophie Ramananarivo e Leif Ristroph, 24 de abril de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47525-9
Os outros autores do estudo incluíram Nickolas Lewis, Mathilde Bleu, Jiajie Wu e Christiana Mavroyiakoumou do Instituto Courant.
O trabalho foi apoiado por doações da National Science Foundation (DMS-1847955, DMS-1646339).
