研究人员通过数学计算揭示了以前未知的空气动力学现象

在春天的前几周抬头仰望天空，你很可能会看到一群鸟在向北迁徙时齐声移动。但这些生物是如何以如此协调且看似毫不费力的方式飞行的呢?

数学家团队在一项新发表的研究中报告说，部分答案在于精确的、以前未知的空气动力学相互作用。它的突破拓宽了我们对野生动物的理解，包括在鱼群中移动的鱼类，并且可以在交通和能源领域得到应用。

莱夫解释说：“这一领域的研究非常重要，因为众所周知，动物会利用群体其他成员留下的空气或水等流动来节省移动所需的能量或减少阻力或阻力。”里斯特罗夫是纽约大学库朗数学科学研究所的副教授，也是该论文的资深作者，该论文发表在《自然通讯》杂志上。

“我们的工作还可能应用于交通运输(例如通过空气或水进行有效推进)和能源(例如更有效地从风、水流或波浪中获取能量)。”

研究小组的结果表明，空气动力学的影响取决于飞行团体的规模——有利于小团体，也有利于大团体。

“小鸟群中的空气动力相互作用有助于每个成员相对于其领先的邻居保持一定的特殊位置，但较大的群体会受到一种效应的干扰，这种效应将成员从这些位置上移开，并可能导致碰撞，”助理教授索菲·拉马纳利沃(SophieRamananarivo)指出巴黎综合理工学院的教授，也是该论文的作者之一。

此前，里斯特罗夫和他的同事发现了鸟类如何成群移动，但这些发现是通过模仿“两只”鸟类相互作用的实验得出的。《自然通讯》的新研究扩大了调查范围，涵盖了许多传单。

为了复制鸟类的柱状结构，研究人员创造了机械化的扑翼，其作用就像鸟类的翅膀。这些翅膀是用塑料3D打印出来的，由电机驱动在水中拍打，这复制了飞行过程中空气在鸟翅膀周围流动的情况。

这种“模拟羊群”在水中推进，可以自由地排成一队或队列。

这些流动以不同的方式影响团体组织——具体取决于团体的规模。

对于最多四名飞行者的小团体，研究人员发现了一种效应，每个成员都可以从空气动力学相互作用中获得帮助，以保持其相对于邻居的位置。

进行实验的纽约大学应用数学实验室主任里斯特罗夫解释说：“如果飞行器偏离其位置，领先的邻居留下的涡流或漩涡会帮助将跟随者推回原位并将其保持在那里。”。“这意味着传单可以自动组装成规则间距的有序队列，无需额外的努力，因为物理原理完成了所有工作。

“然而，对于较大的群体，这些流动相互作用会导致后面的成员被推挤并被抛离位置，通常会由于成员之间的碰撞而导致群体崩溃。这意味着在某些类型的鸟类中看到的非常长的群体是组建起来并不容易，后来的成员可能必须不断努力保持自己的位置，避免撞到邻居。”

然后，作者部署了数学模型，以更好地理解驱动实验结果的潜在力量。

在这里，他们得出的结论是，邻居之间的流动介导的相互作用实际上是像弹簧一样的力，将每个成员固定在适当的位置——就像火车的车厢通过弹簧连接一样。

然而，这些“弹簧”只作用于一个方向——领头的鸟可以对其追随者施加力，但反之则不然——这种非互惠的相互作用意味着后面的成员往往会产生剧烈的共鸣或振荡。

“振荡看起来就像波浪一样，使成员向前和向后摇晃，并沿着群体传播并增加强度，导致后来的成员碰撞在一起，”当时是纽约大学物理学研究生的乔尔·纽博尔特解释道。

该团队将这些新型波命名为“flonons”，它基于与声子类似的概念，声子指的是由弹簧连接的质量系统中的振动波，用于模拟晶体或其他材料中原子或分子的运动。

纽博尔特补充道：“因此，我们的发现提出了与材料物理学的一些有趣的联系，有序的鸟群中的鸟类类似于规则晶体中的原子。”