Шнобелевская премия 2022 по физике

Шнобелевская премия 2022 по физике

Сохранение энергии при групповом плавании утят

Фрэнк Э. Фиш (Frank Fish)

Фрэнк Э. Фиш (Frank Fish), Вест-Честерский университет (West Chester University), США, "Сохранение энергии при групповом плавании: метаболические данные по утятам" в книге "Механика и физиология плавания животных", 1994, стр. 193-204. Чжи-Мин Юань (Zhi-Ming Yuan), Лайбинг Цзя (Laibing Jia), Атилла Инцечик (Atilla Incecik), Университет Стратклайда (University of Strathclyde), Великобритания, Минглу Чен (Minglu Chen), Чунян Джи (Chunyan Ji), университет науки и технологий Цзянгсу (Jiangsu University of Science and Technology), Китай, статья "Полет на волнах и прохождение волн утятами при плавании строем" в "Журнале гидромеханики" (Journal of Fluid Mechanics), 928(R2), 5 октября 2021. В открытых водоемах часто наблюдается, что утята и гусята следуют за своими матерями высокоорганизованным строем. Энергетические измерения, проведенные Фишем, подтвердили, что утята могут сэкономить до 62,8% метаболических усилий, плывя по следу вожака. Возникают вопросы. Почему они плывут строем? Как лучше всего плавать? Сколько энергии может сохранить каждый при групповом плавании? Чтобы ответить на эти вопросы, авторы создали упрощенную математическую и численную модель и рассчитали волновое сопротивление группы водоплавающих птиц в плавающем строю. Наблюдали два новых и интересных открытия: движение по волнам и прохождение волн.

Катаясь на волнах, создаваемых уткой-матерью, идущий сзади утенок может добиться значительного снижения волнового сопротивления. Когда утенок плывет позади своей матери, возникает разрушительное явление интерференции волн, и волновое сопротивление утенка становится положительным, толкая его вперед. Что еще интереснее, это преимущество катания на волнах может быть поддержано остальными утятами в построении в один ряд. Начиная с третьего в очереди, волновое сопротивление особей постепенно стремилось к нулю, и достигается хрупкое динамическое равновесие. Каждый индивидуум в этом равновесии действует как проводник волны, передавая энергию волны своему хвосту без каких-либо потерь энергии.

Водоплавающие птицы могут инстинктивно находить положение с минимальным сопротивлением и оставаться в нем, не принимая во внимание двигательную активность других членов группы. Основываясь на этих предположениях, можно описать область жидкости, используя потенциал скорости, который удовлетворяет уравнению Лапласа. Метод трехмерных граничных элементов можно применить для решения уравнения Лапласа и расчета волнового сопротивления.

Специалисты вычисляют волновое сопротивление в 1290 точках и получают контур уменьшения сопротивления. Можно заметить, что существует высокая согласованность между волновой картиной матери-утки и контуром утенка. Есть три основных области концентрации волновой энергии. Наиболее интенсивное гидродинамическое взаимодействие происходит в области кормового клина, где сосредоточена энергия волны. Максимум и минимум появляются на центральной линии позади утки-матери. Если предположить, что утенок развил инстинктивное чувство сопротивления, он добивается минимального сопротивления. Кроме того, боковая сила и момент рыскания, действующие на утенка, когда он плывет за уткой-матерью, не действуют, поскольку поток, с которым сталкивается утенок, симметричен относительно центральной линии.

Таким образом, утенок без труда достигнет стабильного состояния катания на волнах, сохраняя потребление энергии, пока он поддерживает ту же скорость, что и утка-мать. Катание на волнах и прохождение волн, вероятно, являются основными причинами эволюции форм плавания у водоплавающих птиц. Это исследование впервые раскрывает причины, по которым групповое движение водоплавающих птиц может сохранять энергозатраты особей. Расчеты позволяют по-новому взглянуть на механизмы группового плавания.

За попытку понять, как утятам удается плавать строем, Фрэнк Фиш, США, и ученые из университета науки и технологий Цзянгсу, Китай, получают Шнобелевскую премию 2022 года по физике.