Утята использовали волны и не отстали от матери во время плавания

Ученые переадресовали эти вопросы математической модели и выяснили, что плавание позади матери обеспечивает гашение волн за счет интерференции, и подталкивает утят вперед. Причем начиная с третьего в цепочке, волновое сопротивление достигает нуля, и вся утиная система приобретает динамическое равновесия. Механизм группового плавания уток ученые описали в Journal of Fluid Mechanics. Групповое поведение птиц, приспособление к среде. Их движение кажутся сферами, которые должны занимать исключительно орнитологов, однако идея о том, что передвигаясь высокоорганизованными группами, птицы обеспечивают себе энергетическое преимущество, начало занимать физиков и инженеров. Так удалось выяснить, что образованные в групповом полете вихри улучшают индивидуальные летные характеристики каждой птицы, а плавание цепочкой за лидером экономит водоплавающим птицам до 62,8% метаболических усилий. Это и вдохновило ученых университета Стратклайда оценить выгоду утиного плавание цепочкой с точки зрения физики — как утята преодолевают сопротивление воды, используют в свою пользу поверхностное натяжение и как в этом помогает лидер цепочки. По их словам, это не только новые детали эволюционной приспособленности птиц, а и потенциально новые принципы для проектирования современных грузовых судов, которым особенности утиного плавания могут сэкономить топливо при перевозке большего количества грузов. Поэтому физики обратились к математическому моделированию и рассчитали волновое сопротивление, которое испытывает каждый из участников движения, а также поведение птиц в условиях спокойной воды и при встрече с волновым гребнем.

Успех утят в плавании физики оценивали по коэффициенту уменьшения сопротивления — чем он больше, тем меньше усилий на плавание затрачивают птицы, ведь волновое сопротивление превращается в движущую силу. Сначала ученые рассмотрели ситуацию, в которой за уткой-лидером следует только один утенок. Во время движения утка создает два вида волн: расходящиеся от передней и задней частей тела птицы, а также поперечные волны с изогнутыми гребнями, пересекающие осевую линию позади утки. Утенок должен отреагировать на действие этих волн и наталкиваться на гребень, Чтобы занять последнее выгодное положение, утенок должна догнать мать со скоростью (это примерно 0,48 метра в секунду) и попасть в промежуток между внешними и внутренними волнами, возникающими из-за движения утки. В этом промежутке сосредоточена большая часть волновой энергии и поэтому именно из такого положения коэффициент уменьшения сопротивления будет высоким.

Очевидно, что часть сгенерированной уткой-матерью волновой энергии, поглощается первым в цепочке. Остается она следующим? Оставив утку со своим птенцом в наиболее энергетически выгодной позиции плавание, ученые поместили в модель еще одного утенка сразу за первым. Уже заранее можно сказать, что между внешними и внутренними волнами, которая дает преимущества первому утенку, второму уже недоступно, чтобы обеспечить такое же снижение сопротивления. Ученые разместили всех смоделированных утят на равное расстояние друг от друга (как это и в природе) и выяснили, что остаточная энергия даже после использования первым в цепочке, способна обеспечить движущую силу второму — по крайней мере на 32%. Энергия волны, достается третьему утенку. Моделирование показало, что уже в третий птенец достигает устойчивого снижения волнового сопротивления, что дает ему возможность не прилагать никаких лишних усилий на плавание. Роль всех последующих утят — поддерживать волны и передавать их по цепочке дальше. Физики назвали это состоянием равновесия прохождения волн. Согласно моделированием, энергия, которая исходит от утки, в конечном итоге достигнет любого утенка. Если взять цепочку утят, которые плывут за матерью как целую систему, минимальное полное волновое сопротивление достигается на третьем, и по мере того, как количество утят на хвосте увеличивается, общие волновое сопротивление будет поддерживаться на этом минимальном уровне. Однако, такая тонкое динамическое равновесие возможно только в том случае, если птицы сохранят ту же скорость, что и мать-утка, и будут последовательно занимать правильные позиции на центральной линии позади своего лидера. С энергетической точки зрения, когда достигается динамическое равновесие, полное волновое сопротивление утки-матери и ее детей, остается постоянным значением.

Выгода, получаемая утятами при движении цепочкой по поверхности воды, по мнению исследователей, заставляет утят подсознательно следовать за любыми подвижными объектами, которые они видят. Так исследование показало, что утята применяют принцип передачи волн, чтобы уменьшить волновое сопротивление и улучшить свои двигательные характеристики. И этот же принцип можно перенести на проектирование современных грузовых судов, чтобы перевозить больше грузов без дополнительных затрат на топливо.

В поисках лучших технологических решений, ученые во многом обращаются к природе. Так недавно физикам удалось доказать, что, на первый взгляд, недостаток телосложения скатов — выпученные глаза и рот — на самом деле является преимуществом и только ускоряет движение животных в воде, а это пригодится для плавающих роботов и их систем.

Перевод материала nauka.ua