Utvrđeno zašto ptice lete u V formaciji: Eksperiment u aerotunelu otkrio koliko energije tako uštede

Naučnici već godinama znaju da ptice poput gusaka i ibisa ostvaruju aerodinamičku prednost leteći u V formaciji. Sada su istraživači pružili nove uvide u prirodu te prednosti, saopštio je Univerziteta Braun.

U studiji objavljenoj u Proceedings of the National Academy of Sciences, istraživači sa Brauna, Olivija Pomerenk i Keni Brojer, razvili su aerodinamički model koji simulira sile na delu kada jedna ptica koja maše krilima - konkretno severni ćelavi ibis - prati drugu leteći iza nje i malo ustranu, što je klasična idealna tačka u V formaciji. Model je pokazao da ptice u tom položaju doživljavaju smanjenje mehaničke snage potrebne za let od 11%. Ta ušteda je prvenstveno podstaknuta smanjenjem vertikalnog raspona njihovih zamaha krilima.

Preporučujemo

- Velika promena koju vidimo u ovom položaju je u amplitudi zamaha - rekla je Pomerenkova, postdoktorska istraživačica na Fakultetu inženjerskih nauka Univerziteta Braun. - Barem za ovu specifičnu vrstu ptica, gledamo u amplitudu koja iznosi oko 70% onoga što bi bila da ptica leti sama. To je prilično dramatična promena.

Brojer, profesor inženjerstva i ekologije, evolucije i biologije organizama na Braunu, dugo se zanima za let životinja. Njegova laboratorija na Braunu, koja je opremljena namenski napravljenim aerotunelom sa brzim kamerama, došla je do brojnih otkrića o dinamici leta i slepih miševa i ptica. Eksperimenti sprovedeni sa čvorcima u aerotunelu pre nekoliko godina pomogli su da se potvrdi da V formacija zaista pomaže pticama koje prate da uštede energiju - smanjujući energetsku cenu leta za 25% tokom letova u aerotunelu.

Energetska korist je verovatno na neki način povezana sa vrtlozima na vrhovima krila, sićušnim horizontalnim tornadima koji se kovitlaju sa vrhova svakog krila. Protok vazduha iz tih vrtloga stvara oblast aerodinamičkog „silaznog strujanja“ neposredno iza ptice i oblast „uzlaznog strujanja“ sa strane. Ta zona uzlaznog strujanja, kažu Brojer i Pomerenkova, verovatno je izvor aerodinamičke prednosti, ali tačno kako se ona pretvara u manje rada za pticu bila je misterija. To je ono što ovaj novi model pokušava da otkrije.

Glavno pitanje je da li uzlazno strujanje generiše dodatni uzgon za ptice ili dodatni potisak.

- Ako sam ptica koja leti, imam dva problema koja moram da rešim - rekla je Pomerenova. - Moram da generišem uzgon kako bih se suprotstavila gravitaciji i moram da generišem potisak kako bih letela napred. Oba ova problema zahtevaju energiju za rešavanje, ali na njih može različito uticati letenje u vazdušnoj struji druge ptice.

Prethodna istraživanja su ili previše pojednostavljivala problem ili ga previše komplikovala, kaže Pomerenkova. Najjednostavniji modeli tretiraju ptice slično avionima sa fiksnim krilima. To eliminiše dinamiku koju uvodi mahanje krilima, što je od očigledne važnosti za let ptica. Ali i komplikovaniji modeli i eksperimenti u stvarnom svetu su problematični, jer često zakopavaju važnu dinamiku u gomilu složenosti.

Novi model istraživača svodi problem na osnove. Koristeći prethodna eksperimentalna istraživanja o severnim ćelavim ibisima, Pomerenkova i Brojer su pažljivo modelirali vazdušnu struju koju proizvodi jedna ptica dok maše krilima, a zatim dodali drugu pticu koja leti u toj struji. Pošto vodeća ptica maše krilima, njena struja se talasa vertikalno sa svakim zamahom. Da bi uhvatio efekte tog talasanja na pticu koja prati, model razlaže akciju na niz „snimaka“ tokom vremena.

- Ako „zamrznem“ svet, ostajemo sa vazdušnom strujom koja je u određenom položaju i krilima pratioca u određenom položaju - objasnila je Pomerenkova. - Postoji niz teorema o dinamici fluida koje možete primeniti u nizu kako biste došli do sila koje deluju na pticu koja prati u tom trenutku.

Sabiranjem tih trenutaka, model se fokusira na efekte talasaste struje. Rad je pokazao da struja vodeće ptice smanjuje potrebu ptice koja prati da generiše potisak. To omogućava ptici da smanji amplitudu svojih zamaha, što zauzvrat štedi energiju. Svi nalazi modela su u skladu sa eksperimentalnim zapažanjima, ali dodaju preko potrebno objašnjenje kako se tačno struja vodeće ptice pretvara u lakši let za pticu koja prati.

To objašnjenje bi se moglo primeniti i izvan ptičjeg leta.

- Postoje implikacije i za inženjerske sisteme - rekao je Brojer. - Sve ovo se takođe može primeniti na razumevanje načina kako najbolje upravljati rojevima dronova koji se koriste u poljoprivredi ili vatrogastvu, na primer.

Pomerenkova kaže da se nada da se model interakcije između dve ptice na kraju može uključiti u veći model ptičjeg leta koji obuhvata društvenu dinamiku i dinamiku ponašanja. Na taj način, ovaj rad bi mogao da se pokaže kao važan korak u razumevanju formacija i koordinisanih kretanja jata koja su dugo fascinirala i posmatrače ptica i naučnike.

(Telegraf Nauka/Brown University)