Vogels, die in een V vliegen, we zijn er zo aan gewend, dat we niet beseffen hoe bijzonder dat is. Maar wetenschappers zijn opnieuw in het thema gedoken en ontdekten een tot nu toe onbekende aerodynamische interactie tussen de dieren.
De Amerikaanse wiskundigen spreken van een doorbraak die onze kennis over bewegende dieren fors uitbreidt. Denk ook aan scholen vissen die samen zwemmen. De resultaten, die in Nature zijn gepubliceerd, kunnen zelfs tot nieuwe toepassingen leiden in de transport- en energiesector.
Groepsgrootte bepalend
“Dit onderzoeksgebied is belangrijk aangezien we weten dat dieren profiteren van de lucht- of waterstromen die andere leden van de groep achterlaten om zo energie te besparen of om weerstand te verminderen”, legt onderzoeker Leif Ristroph uit van de New York University. “Ons werk kan leiden tot een efficiëntere voortstuwing door de lucht of in het water en bij het effectiever opwekken van wind- of waterenergie.”
Het team heeft aangetoond dat de impact van aerodynamica afhangt van de omvang van de vliegende groep: kleine groepen profiteren ervan, terwijl het bij grotere groepen juist voor chaos zorgt. “De aerodynamische interacties bij kleine groepen vogels helpen ieder groepslid om in een bepaalde positie te blijven in relatie tot zijn leidende buur, maar de orde van grotere groepen wordt verstoord door een effect dat groepsleden juist verdrijft uit hun positie en mogelijk botsingen veroorzaakt”, aldus onderzoeker Sophie Ramananarivo.
Vleugels uit de 3D-printer
De onderzoekers kwamen tot hun conclusie door de vogelformaties na te bootsen met mechanische vleugels die zo uit de 3D-printer kwamen rollen. Ze werden aangedreven met kleine motortjes en achter elkaar geplaatst in een bak water, zodat de luchtstromen overeenkwamen met die van vleugels in de lucht. De zogenaamde vleugels konden vrij bewegen in een cirkel. Afhankelijk van de groepsgrootte beïnvloedde de stroming de organisatie van de groep op verschillende manieren.
Voor de kleine groepen tot vier ‘vogels’ ontdekten de onderzoekers een effect waarbij ieder groepslid hulp krijgt van de aerodynamische interactie om zijn positie te behouden ten opzichte van de omringende vogels. “Als een vlieger uit positie raakte, hielpen de windstromen die door de voorgaande vogel werden veroorzaakt om hem weer op zijn plaats te krijgen en hem daar te houden”, verklaart Ristroph. “Dit betekent dat de vogels automatisch en zonder extra inspanning in een ordelijke rij kunnen vliegen, terwijl de fysica al het werk doet.”
Grote versus kleine groepen
Die vlieger ging echter niet op voor grotere groepen. “Deze luchtstromen zorgden er bij de grotere groepen juist voor dat de latere groepsleden in het gedrang kwamen en uit positie raakten, waardoor de zwerm uiteenviel als gevolg van botsingen. Dat wil zeggen dat de hele lange groepen die je soms ziet vliegen beslist niet makkelijk zijn om te vormen. De achteropkomende groepsleden zijn waarschijnlijk constant bezig om in positie te blijven en te voorkomen dat ze op hun buren botsen.”
Maar wat voor krachten zijn dat, die ervoor zorgen dat de vogels wel of niet als een keurige V kunnen vliegen? Volgens wiskundige modellen die de wetenschappers loslieten op hun experimentele resultaten werken de interacties tussen buurvogels in feite als een soort veer, die ieder lid op zijn plaats houdt, eigenlijk alsof de wagons van een trein verbonden zouden zijn door grote veren. Deze ‘veren’ werken echter maar in één richting: een voorgaande vogel kan kracht uitoefenen op zijn volger, maar dat geldt niet andersom, wat betekent dat de latere vogels in de rij vaak vrij wild schommelen.
Net als golven
“Deze bewegingen lijken op golven die de leden vooruit en achteruit bewegen en die door de hele groep gaan terwijl ze in intensiteit toenemen, wat bij de latere vogels tot een crash kan leiden”, legt onderzoeker Joel Newbolt uit, die er tot slot op wijst dat de bewegingen van de vogels gelijkenissen vertonen met de materiaalfysica. “Onze bevindingen hebben interessante overeenkomsten met de materiaalfysica waarbij de geordende rij die vogels vormen analoog is aan atomen in een kristal.”
