اكتشف المهندسون كيف تصطف الطيور في إسفين مثالي

منذ سبعينيات القرن الماضي، أصبح من المعروف أن الطيور قادرة على توفير الطاقة باستخدام تيارات الهواء الصاعدة التي تنشأ عند أطراف أجنحة أحد الأقارب الذي يطير للأمام. ينحرف الهواء إلى أعلى، لذلك يحتاج الطائر التالي إلى بذل جهد أقل للحفاظ على الارتفاع. ولذلك، فإن العديد من الطيور الكبيرة المهاجرة – مثل الإوز والبجع والكركي – غالبًا ما تشكل تكوينًا على شكل حرف V، أو إسفينًا. اتضح أنه من الأصعب بكثير شرح سبب تواجد الطيور على مسافة معينة من بعضها البعض وكيف يظل التكوين بأكمله مستقرًا. تتطلب نماذج الكمبيوتر الحالية عادة محاكاة الديناميكيات الهوائية المعقدة ثلاثية الأبعاد لكل ضربة جناح، والتفاعلات بين الدوامات المتعددة، وسلوك الطيور المتعددة. تعطي مثل هذه الحسابات نتائج واقعية، ولكنها غير مناسبة للبحث عن قوانين فيزيائية عامة. اتخذ خبراء من كلية الهندسة في جامعة براون (الولايات المتحدة الأمريكية) طريقًا مختلفًا. وبدلاً من أن تكون مفصلة قدر الإمكان، قاموا بتطوير نموذج مصغر يأخذ في الاعتبار فقط التأثيرات الديناميكية الهوائية الأكثر أهمية. وهي تقوم على فكرة أن كل طائر، عندما يرفرف بجناحيه، يترك وراءه نظاما من الدوامات، أي نوع من الأثر في الهواء. إن التفاعل مع هذا المسار هو الذي يحدد مدى فائدة موقع الطائر التالي. وصف الباحثون دوامة اليقظة باستخدام مخطط رياضي بسيط نسبيًا، دون نمذجة شكل الأجنحة، أو الريش الفردي، أو البنية المعقدة للتدفقات المضطربة. وعلى الرغم من كونه تبسيطًا، إلا أن النموذج ساعد في حساب القوى المؤثرة على طائر يحلق خلف طائر آخر وتحديد المواقع الأكثر فائدة من حيث الطاقة.

وكما تبين، فإن الوضع الأمثل لا ينشأ مباشرة خلف الطائر الذي يحلق أمامه، بل إلى جانبه قليلاً – حيث يوفر الجزء العلوي من دوامة اليقظة أقصى قدر من الدعم الديناميكي الهوائي. أعاد النموذج بشكل طبيعي إنتاج الإزاحة الجانبية المميزة التي سجلها علماء الطيور في الطيور الحقيقية أثناء الطيران. لقد أظهر المهندسون أيضًا أن مواقع الطيور يتم تحديدها من خلال ما هو أكثر من مجرد زيادة الرفع إلى الحد الأقصى. إن الحاجة إلى تجنب مناطق السحب السفلي والحفاظ على استقرار التكوين بأكمله في نفس الوقت أمر مهم. ونتيجة لذلك، تنشأ مجموعة محدودة من المواقف المستقرة، والتي يتم تشكيل نفس الإسفين على شكل حرف V. عند اختبار النموذج مقابل بيانات المراقبة من الطيور الحقيقية، اتضح أنه يمكن أن يفسر العديد من سمات الطيران الجماعي التي سبق وصفها تجريبيا فقط. على وجه الخصوص، تبين أن المواقع المحسوبة للطيور في التكوين قريبة من تلك التي لوحظت في القطعان الحقيقية. وهذا يعني أنه من أجل تشكيل إسفين مستقر، ليس من الضروري افتراض أن الطيور لديها استراتيجية ملاحية معقدة أو نقل مستمر للمعلومات فيما بينها. التفاعل الكافي مع التيارات الهوائية. لا يدعي مؤلفو الورقة العلمية أن الطيور تحل حرفيًا مشكلة رياضية أثناء الطيران. بدلاً من ذلك، يتم تحديد سلوكهم من خلال الانتقاء التطوري: فالأفراد الذين احتلوا بشكل غريزي مواقع أكثر فائدة بالنسبة للتيارات الهوائية حصلوا على ميزة بسبب انخفاض استهلاك الطاقة وزيادة القدرة على التحمل أثناء الرحلات الجوية الطويلة. وكانت إحدى النتائج المهمة للدراسة هي أن النموذج جعل من الممكن تفسير ليس فقط وجود الهيكل على شكل إسفين، ولكن أيضًا إمكانية الحفاظ عليه. في قطيع حقيقي، تغير الطيور موقعها باستمرار: يمكنها التحرك قليلاً للأمام أو للخلف، وضبط ارتفاعها والمسافة بينها وبين جيرانها. من وجهة نظر العمل العلمي الجديد، ترتبط عمليات إعادة الترتيب هذه بالتغيرات في التفاعل الديناميكي الهوائي بين الطيور وتجعل من الممكن الحفاظ على رحلة مستقرة للمجموعة بأكملها. إن فهم كيفية استخدام الكائنات الحية لفيزياء بيئتها للتحرك بشكل جماعي يمكن أن يساعد في إنشاء فرق مستقلة من الروبوتات والمركبات الجوية بدون طيار. على سبيل المثال، يمكن لخوارزميات التحكم في الطائرات بدون طيار أن تستخدم مبادئ مماثلة للطيران في تشكيل يستخدم طاقة أقل ويستخدم تدفق الهواء بشكل أكثر كفاءة.

وبطبيعة الحال، فإن الدراسة لها حدود. ونظرًا لتبسيط النموذج، فإنه لا يصف جميع سمات رحلة الطيور ولا يأخذ في الاعتبار العديد من العوامل البيولوجية – على سبيل المثال، الفروق الفردية، أو خصائص التحكم في العضلات، أو الإشارات الاجتماعية المحتملة داخل القطيع. بالإضافة إلى ذلك، أخذ العلماء في الاعتبار التفاعل الديناميكي الهوائي في المقام الأول، وليس كل الأسباب التي قد تؤثر على اختيار الموقع في التكوين. ومع ذلك، فقد أظهر العمل العلمي أن إسفين الطائر الشهير يمكن تفسيره بمبادئ فيزيائية بسيطة نسبيًا. ونشرت الدراسة في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.