Une étude révèle que les oiseaux en petits groupes utilisent les interactions aérodynamiques pour maintenir leur formation sans effort, tandis que les groupes plus importants sont confrontés à des perturbations. Ces recherches pourraient influencer les secteurs des transports et de l’énergie et introduisent les « flons », un nouveau concept liant le comportement des troupeaux à la physique des matériaux.
Ces résultats pourraient être utiles dans les domaines des transports et de l’énergie.
En regardant le ciel au cours des premières semaines du printemps, vous apercevrez peut-être une volée d’oiseaux planant vers le nord en parfaite harmonie. Mais comment ces créatures peuvent-elles voler de manière aussi coordonnée et apparemment sans effort ?
Une partie de la réponse réside dans des interactions aérodynamiques précises et jusqu’alors inconnues, rapporte une équipe de mathématiciens dans une étude récemment publiée. Cette avancée élargit notre compréhension de la faune, notamment des poissons, qui se déplacent en bancs, et pourrait avoir des applications dans les transports et l’énergie.
« Ce domaine de recherche est important puisque l'on sait que les animaux profitent des flux, comme l'air ou l'eau, laissés par les autres membres d'un groupe pour économiser l'énergie nécessaire au déplacement ou pour réduire la traînée ou la résistance », explique Leif. Ristroph, professeur agrégé au Courant Institute of Mathematical Sciences de l'Université de New York et auteur principal de l'article, qui paraît dans la revue Communications naturelles. « Notre travail peut également avoir des applications dans les transports, comme une propulsion efficace dans l'air ou l'eau, et dans l'énergie, comme la récupération plus efficace de l'énergie du vent, des courants d'eau ou des vagues. »
Effets aérodynamiques sur la formation des troupeaux
Les résultats de l'équipe montrent que l'impact de l'aérodynamique dépend de la taille du groupe volant, bénéficiant aux petits groupes et perturbant les grands.
« Les interactions aérodynamiques dans les petites volées d'oiseaux aident chaque membre à occuper une certaine position particulière par rapport à son voisin principal, mais les groupes plus importants sont perturbés par un effet qui déloge les membres de ces positions et peut provoquer des collisions », note Sophie Ramananarivo, professeur adjoint. à l'École Polytechnique Paris et l'un des auteurs de l'article.
Ristroph et ses collègues avaient déjà découvert comment les oiseaux se déplaçaient en groupe, mais ces résultats étaient tirés d'expériences imitant les interactions des oiseaux. deux des oiseaux. Le nouveau Communications naturelles la recherche a élargi l’enquête pour prendre en compte de nombreux dépliants.
Pour reproduire les formations en colonnes des oiseaux, dans lesquelles ils s'alignent les uns derrière les autres, les chercheurs ont créé des clapets mécanisés qui agissent comme des ailes d'oiseaux. Les ailes ont été imprimées en 3D à partir de plastique et entraînées par des moteurs pour battre dans l'eau, ce qui reproduit la façon dont l'air circule autour des ailes des oiseaux pendant le vol. Ce « faux troupeau » se propulsait dans l’eau et pouvait librement s’organiser dans une file ou une file d’attente, comme le montre une vidéo de l’expérience.
Un enregistrement en direct de l'appareil expérimental en fonctionnement. Cinq feuilles sont entraînées pour battre de haut en bas à l'unisson, et elles se propulsent librement et de manière interactive autour d'un réservoir d'eau. Crédit : Avec l'aimable autorisation du laboratoire de mathématiques appliquées de NYU au Courant Institute of Mathematical Sciences.
Les flux ont affecté l’organisation du groupe de différentes manières, selon la taille du groupe.
Pour de petits groupes allant jusqu'à environ quatre volants, les chercheurs ont découvert un effet par lequel chaque membre bénéficie de l'aide des interactions aérodynamiques pour maintenir sa position par rapport à ses voisins.
« Si un volant est déplacé de sa position, les vortex ou tourbillons d'écoulement laissés par le voisin principal aident à repousser le suiveur en place et à le maintenir là », explique Ristroph, directeur du laboratoire de mathématiques appliquées de NYU, où les expériences ont été menées. . «Cela signifie que les flyers peuvent s'assembler automatiquement et sans effort supplémentaire dans une file d'attente ordonnée à espacement régulier, puisque la physique fait tout le travail.
« Pour les groupes plus importants, cependant, ces interactions de flux provoquent des bousculades et des éjections des membres ultérieurs, provoquant généralement une rupture du troupeau en raison de collisions entre les membres. Cela signifie que les très longs groupes observés chez certains types d’oiseaux ne sont pas du tout faciles à former, et les membres les plus tardifs doivent probablement travailler constamment pour maintenir leur position et éviter de s’écraser sur leurs voisins.
Aperçu mathématique de la dynamique des troupeaux
Les auteurs ont ensuite déployé une modélisation mathématique pour mieux comprendre les forces sous-jacentes à l’origine des résultats expérimentaux.
Ici, ils ont conclu que les interactions médiées par les flux entre voisins sont, en fait, des forces semblables à des ressorts qui maintiennent chaque membre en place, tout comme si les wagons d'un train étaient reliés par des ressorts.
Cependant, ces « ressorts » n’agissent que dans une seule direction – un oiseau de tête peut exercer une force sur son suiveur, mais pas l’inverse – et cette interaction non réciproque signifie que les membres ultérieurs ont tendance à résonner ou à osciller énormément.
« Les oscillations ressemblent à des vagues qui font bouger les membres d'avant en arrière et qui parcourent le groupe et augmentent en intensité, provoquant ainsi l'écrasement des membres ultérieurs », explique Joel Newbolt, qui était étudiant diplômé en physique à l'Université de New York au moment de la recherche.
L’équipe a nommé ces nouveaux types d’ondes « flonons », basé sur le concept similaire de phonons qui fait référence aux ondes vibratoires dans des systèmes de masses liées par des ressorts et qui sont utilisés pour modéliser les mouvements d’atomes ou de molécules dans des cristaux ou d’autres matériaux. .
« Nos découvertes soulèvent donc des liens intéressants avec la physique des matériaux dans laquelle les oiseaux d'un troupeau ordonné sont analogues aux atomes d'un cristal ordinaire », ajoute Newbolt.
Les autres auteurs de l'étude comprenaient Nickolas Lewis, Mathilde Bleu, Jiajie Wu et Christiana Mavroyiakoumou du Courant Institute.
Le travail a été soutenu par des subventions de la National Science Foundation (DMS-1847955, DMS-1646339).
