Sebuah penelitian mengungkapkan bahwa burung dalam kelompok kecil menggunakan interaksi aerodinamis untuk mempertahankan formasi dengan mudah, sedangkan kelompok yang lebih besar menghadapi gangguan. Penelitian ini dapat mempengaruhi sektor transportasi dan energi, dan memperkenalkan “flonon,” sebuah konsep baru yang menghubungkan perilaku kawanan dengan fisika material.
Temuan ini dapat bermanfaat dalam bidang transportasi dan energi.
Saat Anda memandang ke langit pada minggu-minggu awal musim semi, Anda mungkin melihat sekawanan burung terbang ke utara dengan harmoni yang sempurna. Namun bagaimana makhluk-makhluk ini terbang dengan cara yang terkoordinasi dan tampak tanpa usaha?
Sebagian jawabannya terletak pada interaksi aerodinamis yang tepat, dan sebelumnya tidak diketahui, lapor tim ahli matematika dalam sebuah penelitian yang baru diterbitkan. Terobosannya memperluas pemahaman kita tentang satwa liar, termasuk ikan, yang bergerak secara berkelompok, dan dapat diterapkan dalam bidang transportasi dan energi.
“Area penelitian ini penting karena hewan diketahui memanfaatkan arus, seperti udara atau air, yang ditinggalkan oleh anggota kelompok lainnya untuk menghemat energi yang dibutuhkan untuk bergerak atau untuk mengurangi hambatan atau hambatan,” jelas Leif. Ristroph, seorang profesor di Courant Institute of Mathematical Sciences di New York University dan penulis senior makalah tersebut, yang muncul di jurnal Komunikasi Alam. “Pekerjaan kami mungkin juga dapat diterapkan dalam transportasi—seperti tenaga penggerak yang efisien melalui udara atau air—dan energi, seperti memanfaatkan tenaga angin, arus air, atau gelombang secara lebih efektif.”
Efek Aerodinamis pada Pembentukan Kawanan
Hasil tim menunjukkan bahwa dampak aerodinamika bergantung pada ukuran kelompok terbang—menguntungkan kelompok kecil dan mengganggu kelompok besar.
“Interaksi aerodinamis dalam kawanan burung kecil membantu masing-masing anggota untuk menempati posisi khusus tertentu relatif terhadap tetangga utama mereka, namun kelompok yang lebih besar terganggu oleh efek yang membuat anggotanya keluar dari posisi tersebut dan dapat menyebabkan tabrakan,” kata Sophie Ramananarivo, asisten profesor. di École Polytechnique Paris dan salah satu penulis makalah.
Sebelumnya, Ristroph dan rekan-rekannya mengungkap bagaimana burung bergerak dalam kelompok—tetapi temuan ini diambil dari eksperimen yang meniru interaksi burung. dua burung-burung. Yang baru Komunikasi Alam penelitian memperluas penyelidikan dengan memperhitungkan banyak selebaran.
Untuk meniru formasi kolom burung, di mana mereka berbaris tepat di belakang yang lain, para peneliti menciptakan flapper mekanis yang berfungsi seperti sayap burung. Sayapnya dicetak 3D dari plastik dan digerakkan oleh motor untuk mengepak di air, yang meniru cara udara mengalir di sekitar sayap burung selama penerbangan. “Kawanan tiruan” ini bergerak melintasi air dan dapat dengan bebas mengatur dirinya dalam barisan atau antrian, seperti yang terlihat dalam video percobaan.
Rekaman langsung dari peralatan eksperimental yang sedang beroperasi. Lima foil didorong untuk mengepak ke atas dan ke bawah secara serempak, dan mereka secara bebas dan interaktif bergerak mengelilingi tangki air. Kredit: Atas izin Laboratorium Matematika Terapan NYU di Institut Ilmu Matematika Courant.
Aliran ini mempengaruhi organisasi kelompok dengan cara yang berbeda-beda—tergantung pada ukuran kelompok.
Untuk kelompok kecil hingga sekitar empat penerbang, para peneliti menemukan efek dimana setiap anggota mendapat bantuan dari interaksi aerodinamis dalam mempertahankan posisinya relatif terhadap tetangganya.
“Jika sebuah selebaran dipindahkan dari posisinya, vortisitas atau pusaran aliran yang ditinggalkan oleh tetangga di depannya membantu mendorong selebaran tersebut kembali ke tempatnya dan menahannya di sana,” jelas Ristroph, direktur Laboratorium Matematika Terapan NYU, tempat eksperimen tersebut dilakukan. . “Ini berarti selebaran dapat berkumpul menjadi antrian teratur dengan jarak teratur secara otomatis dan tanpa usaha ekstra, karena fisika yang melakukan semua pekerjaannya.
“Namun, untuk kelompok yang lebih besar, interaksi aliran ini menyebabkan anggota berikutnya terdorong dan terlempar keluar dari posisinya, biasanya menyebabkan perpecahan kawanan karena tabrakan antar anggota. Ini berarti bahwa kelompok yang sangat panjang yang terlihat pada beberapa jenis burung sama sekali tidak mudah untuk dibentuk, dan anggota yang belakangan mungkin harus terus-menerus bekerja untuk mempertahankan posisinya dan menghindari tabrakan dengan tetangganya.”
Wawasan Matematika tentang Dinamika Kawanan
Para penulis kemudian menerapkan pemodelan matematika untuk lebih memahami kekuatan mendasar yang mendorong hasil eksperimen.
Di sini, mereka menyimpulkan bahwa interaksi yang dimediasi aliran antar tetangga, pada dasarnya, adalah gaya seperti pegas yang menahan masing-masing anggota di tempatnya—sama seperti gerbong kereta dihubungkan oleh pegas.
Namun, “pegas” ini hanya bekerja dalam satu arah—burung pemimpin dapat memberikan gaya pada pengikutnya, namun tidak sebaliknya—dan interaksi non-timbal balik ini berarti bahwa anggota selanjutnya cenderung beresonansi atau berosilasi secara liar.
“Goyangan terlihat seperti gelombang yang menggoyangkan anggota ke depan dan ke belakang dan merambat ke bawah kelompok dan meningkatkan intensitasnya, menyebabkan anggota selanjutnya saling bertabrakan,” jelas Joel Newbolt, seorang mahasiswa pascasarjana NYU di bidang fisika pada saat penelitian.
Tim menamai jenis gelombang baru ini “flonon”, yang didasarkan pada konsep serupa fonon yang mengacu pada gelombang getaran dalam sistem massa yang dihubungkan oleh pegas dan digunakan untuk memodelkan pergerakan atom atau molekul dalam kristal atau bahan lainnya. .
“Oleh karena itu, temuan kami meningkatkan beberapa hubungan menarik dengan fisika material di mana burung dalam kawanan yang teratur dianalogikan dengan atom dalam kristal biasa,” tambah Newbolt.
Referensi: “Interaksi aliran menyebabkan formasi penerbangan yang terorganisir sendiri terganggu oleh gelombang yang membesar sendiri” oleh Joel W. Newbolt, Nickolas Lewis, Mathilde Bleu, Jiajie Wu, Christiana Mavroyiakoumou, Sophie Ramananarivo dan Leif Ristroph, 24 April 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-47525-9
Penulis penelitian lainnya termasuk Nickolas Lewis dari Courant Institute, Mathilde Bleu, Jiajie Wu, dan Christiana Mavroyiakoumou.
Pekerjaan ini didukung oleh hibah dari National Science Foundation (DMS-1847955, DMS-1646339).
