Sebuah penelitian mengungkapkan bahwa burung dalam kelompok kecil menggunakan interaksi aerodinamis untuk mempertahankan formasi dengan mudah, sementara kelompok yang lebih besar menghadapi gangguan. Penelitian ini dapat berdampak pada sektor transportasi dan energi, dan memperkenalkan “flonon”, sebuah konsep baru yang menghubungkan perilaku gerombolan dengan fisika material.
Temuan ini dapat bermanfaat dalam bidang transportasi dan energi.
Saat Anda melihat 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. Terobosan ini 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 diperlukan 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 dengan lebih efektif.”
Efek Aerodinamis pada Pembentukan Kawanan
Hasil tim menunjukkan bahwa dampak aerodinamis bergantung pada ukuran kelompok terbang—menguntungkan kelompok kecil dan mengganggu kelompok besar.
“Interaksi aerodinamis dalam kawanan burung kecil membantu anggota individu untuk menempati posisi khusus tertentu dibandingkan dengan tetangga utama mereka, namun kelompok yang lebih besar terganggu oleh efek yang membuat anggota mereka keluar dari posisinya 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—namun temuan ini berasal dari eksperimen yang meniru interaksi burung. dua burung-burung. Yang baru Komunikasi Alam penelitian ini memperluas penyelidikan dengan mempertimbangkan beberapa selebaran.
Untuk meniru formasi kolom burung, di mana mereka berbaris tepat di belakang satu sama lain, para peneliti menciptakan flapper mekanis yang berfungsi seperti sayap burung. Sayapnya dicetak 3D dari plastik dan digerakkan oleh motor untuk mengepak di dalam air, yang meniru cara udara mengalir di sekitar sayap burung selama penerbangan. “Kawanan buatan” ini bergerak melintasi air dan dapat dengan bebas mengatur diri mereka sendiri dalam barisan atau antrian, seperti yang terlihat dalam video percobaan.
Rekaman langsung peralatan eksperimental yang sedang beroperasi. Kelima foil didorong untuk mengepak ke atas dan ke bawah secara serempak, dan bergerak bebas dan interaktif di sekitar tangki air. Kredit: Atas izin Laboratorium Matematika Terapan NYU di Institut Ilmu Matematika Courant.
Sekolah-sekolah ini mempengaruhi organisasi kelompok dengan cara yang berbeda-beda—tergantung pada ukuran kelompok.
Untuk kelompok kecil hingga sekitar empat pilot, peneliti menemukan efek dimana setiap anggota mendapat bantuan dari interaksi aerodinamis dalam mempertahankan posisinya relatif terhadap tetangganya.
“Jika sebuah selebaran dipindahkan dari posisinya, pusaran atau pusaran aliran yang ditinggalkan tetangganya di depannya membantu mendorong selebaran itu kembali ke tempatnya dan menahannya di sana,” jelas Ristroph, direktur Laboratorium Matematika Terapan NYU, tempat eksperimen tersebut dilakukan. diadakan. . “Ini berarti selebaran dapat disusun menjadi antrian dengan jarak teratur secara otomatis dan tanpa usaha ekstra, karena fisika melakukan semua pekerjaannya.
“Namun, pada kelompok yang lebih besar, interaksi aliran ini menyebabkan anggota berikutnya terdorong dan terlempar keluar posisinya, biasanya menyebabkan kawanan terpecah akibat benturan antar anggota. Ini berarti bahwa kelompok yang sangat panjang yang terlihat pada beberapa spesies burung tidak mudah untuk dibentuk, dan anggota spesies burung mungkin harus terus-menerus bekerja untuk mempertahankan posisi mereka dan menghindari tabrakan dengan tetangganya.”
Wawasan Matematika tentang Dinamika Kawanan
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—seperti halnya gerbong kereta api dihubungkan oleh pegas.
Namun, “pegas” ini hanya bekerja dalam satu arah—burung pemimpin dapat mengerahkan kekuatan pada pengikutnya, namun tidak sebaliknya—dan interaksi non-timbal balik ini berarti bahwa anggota berikutnya cenderung beresonansi atau berosilasi secara liar.
“Goyangan tersebut terlihat seperti gelombang yang mengguncang anggota ke depan dan belakang dan merambat ke bawah kelompok dan meningkat intensitasnya, menyebabkan anggota berikutnya bertabrakan satu sama lain,” jelas Joel Newbolt, seorang mahasiswa pascasarjana NYU di bidang fisika pada saat penelitian. .
Tim menamai gelombang jenis baru ini “fonon”, yang didasarkan pada konsep mirip 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 dimana 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 mengembang 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).
NewsRoom.id
