13.07 - 20:35

Физики измерили вязкость и упругость роя мошек


 

Физики из США измерили механические свойства роя мошек Chironomus riparius, наблюдая за его реакцией на синусоидальные движения маркера. В результате ученые выяснили, что рой представляет собой вязкоупругую жидкость, и разработали модель, которая воспроизводит установленные свойства. Ученые надеются, что их статья поможет инженерам разработать более совершенных коллективных роботов. Статья опубликована в Science Advances.

Объединение животных в группы часто оказывается полезным. В частности, группа более эффективно передвигается (косяки рыб и птиц), собирает пищу (группа муравьев) и строит (колония термитов), чем отдельные представители того же вида. Кроме того, вместе животные быстрее и точнее реагируют на неожиданные изменения внешних условий. Некоторые ученые даже считают, что группе можно приписать интеллект, который превосходит интеллект отдельной особи, и вводят понятие коллективного разума (wisdom of the crowd).

Чтобы применить эти наблюдения на практике — например, построить эффективный рой роботов, — необходимо ухватить законы, по которым действует группа, и построить на их основе математическую модель. Как правило, такая модель накладывает некоторые ограничения на индивидуальное движение животных (например, задает оптимальное расстояние до соседей), которые при масштабировании воспроизводят требуемую динамику. Этот подход очень напоминает описание термодинамических систем, поэтому модели коллективного движения часто сводятся к моделям из статистической физики.

К сожалению, проверить справедливость такой «физической» модели очень сложно, поскольку множество «микроскопических» законов взаимодействия приводит к одному и тому же групповому поведению. Грубо говоря, строить поведенческую модель по наблюдениям за групповым паттерном и морфологией — все равно что угадывать содержимое закрытой коробки, стуча по ее крышке. Чтобы получить конкретную модель, нужно следить за более тонкими свойствами группы, которые неявно зависят от законов индивидуального взаимодействия.

Группа исследователей под руководством Николя Улетта (Nicholas Ouellette) одна из первых ухватила такие тонкие свойства. Для этого ученые исследовали, как рой мошек Chironomus riparius реагирует на синусоидальные движения маркера — черного квадрата размером 20×20 сантиметров, расположенного на дне кубического аквариума со стороной 120 сантиметров. Частота колебаний квадрата составляла примерно 0,3 герца, а амплитуда колебаний достигала десяти сантиметров. Поскольку в природе рой мошек склонен собираться над таким маркером, ученые могли управлять роем, прикладывать к нему эффективную силу и измерять такие неочевидные свойства, как вязкость и упругость. Движение мошек физики записывали на три рапидных камеры с частотой сто кадров в секунду.

В результате исследователи обнаружили, что центр роя все время следовал за меткой: частота колебаний центра совпадала с частотой заданных колебаний, амплитуда менялась пропорционально, а разность фаз находилась на постоянном уровне. Кроме того, с движением маркера были согласованы движения каждого вертикального среза роя, которые также происходили на одинаковой частоте. Тем не менее, физики также заметили, что в верхних слоях амплитуда колебаний была меньше, а фаза отставания — больше, чем в нижних слоях роя, находящихся ближе к метке. Обе этих характеристики росли пропорционально расстоянию до квадрата.

Отталкиваясь от измеренных зависимостей амплитуды и фазы колебаний, ученые рассчитали механический отклик роя и рассчитали его комплексный модуль сдвига. Действительная часть этой величины отражала количество упругой энергии, которая запасается в сдвиговой волне, бегущей по рою, а мнимая часть измеряла энергию, которая терялась в ходе распространения волны. Плотность роя ученые считали постоянной. Поскольку и мнимая, и действительная часть комплексного модуля сдвига была отлична от нуля, ученые заключили, что рой можно считать вязкоупругим материалом. Модуль упругости такого «материала» составляет G ≈ 5±4 микропаскаль (в миллион раз меньше модуля упругости резины), вязкость η ≈ 0,358±0,002 миллипуаз (в тридцать раз меньше вязкости воды про 20 градусах Цельсия), а мера эффективной инертности роя GM ≈ 29,5±0,2 миллиграмм на миллиметр.
Наконец, отталкиваясь от измеренных механических свойств роя, ученые построили модель его поведения. В этой модели координата и скорость каждой мошки определяется стохастическим уравнением движения. Свободными параметрами этого уравнения является характерный временной масштаб автокорреляций скорости, средний квадрат скорости мошек и среднее расстояние мошки до центра роя. Как показали расчеты ученых, такое уравнение воспроизводит не только форму роя, но и его вязкоупругие свойства.

Авторы статьи отмечают, что вязкоупругие свойства роя помогают мошкам создать базу для спаривания, которая остается устойчивой в переменной внешней среде. С одной стороны, благодаря вязкости рой сохраняет свою форму при внешнем воздействии; с другой стороны, благодаря упругости он ее быстро восстанавливает, когда воздействие исчезает. При этом ученые подчеркивают, что мушки друг с другом механически не взаимодействуют, а значит, свойства роя определяются поведением индивидов. Поэтому исследователи интерпретируют вязкоупругие свойства как передачу информации сквозь рой, а не как механическое напряжение эффективного материала.

Физики часто сравнивают коллективное движение живых существ с физическими системами — в частности, таким сравнениям подвергался рой мух, косяк рыб, футболисты и пелотон велосипедистов. Интересно, что свойства коллективного движения иногда определяются не столько намерениями отдельных участников, сколько их физическими возможностями или физическими законами.

https://nplus1.ru

Ключевые слова:
Читайте также:

Клетки щеки показали спешку биологических часов у детей с аутизмом

Американские исследователи разработали «эпигенетические часы», которые измеряют биологический возраст человека по степени метилирования ДНК в клетках щеки. Этот метод создали специально для детей и подростков, у которых «взрослые» часы метилирования, осно
Подробнее »»

Как снизить внутриглазное давление

Нормальное давление циркулирующей внутриглазной жидкости должно находиться в пределах 9-22 мм ртутного столба.
Подробнее »»

Как научиться не нервничать?

Как научиться держать себя в руках, не давая эмоциям портить вам настроение и разрушать отношения с близкими?
Подробнее »»

Все на лице: пять сигналов о нехватке витамина D

Когда дни становятся все короче и пасмурнее, уровень витаминов и минералов в организме начинает снижаться.
Подробнее »»

Почему мужчинами легко манипулировать 

Во все века были женщины, умеющие управлять мужчинами с такой легкостью, что все вокруг только диву давались.
Подробнее »»

Читайте также:
18.10 - 21:15

Горячая ванна при простуде

Некоторые врачи советуют при простудных заболеваниях принимать горячую ванну, другие же настоятельно рекомендуют воздержаться от водных процедур во время болезни.
Подробнее »»

18.10 - 20:55

Что применять беременным при температуре

Беременность - один из самых прекрасных периодов в жизни женщины.
Подробнее »»

18.10 - 20:36

Медики назвали основные причины рака груди

Наследственность, чрезмерный загар, курение внесены врачами в список причин, провоцирующих возникновение рака груди.
Подробнее »»

18.10 - 19:50

Лечебные свойства черной бузины

Бузина черная — это кустарник, относящийся к семейству жимолостных.
Подробнее »»

18.10 - 19:41

Городской шум снизил стресс во время размножения у зебровых амадин

Британские ученые обнаружили, что звуки города снижают концентрацию гормонов стресса в крови зебровых амадин.
Подробнее »»

18.10 - 18:44

Как успокоить ночной кашель

Кашель — защитная реакция, с помощью которой организм выводит из дыхательных путей слизь, пыль и другие инородные тела.
Подробнее »»

18.10 - 18:27

5 бьюти-средств, которые используются неправильно

Любую косметику надо использовать правильно.
Подробнее »»

18.10 - 17:35

Горечь во рту: симптомы и лечение

Как только в работе нашего организма происходит какой-то сбой, он тотчас сигнализирует нам об этом.
Подробнее »»

18.10 - 17:26

Какое нижнее белье стоит выбрать для первого свидания

Давайте будем откровенны, каждый день ходить в кружевном белье, не так чтобы удобно.
Подробнее »»

18.10 - 16:33

Эксперты предупредили о первых признаках тромбоза

Мало кто думает о том, что ему грозит тромбоз, и потому редко обращает внимание на симптомы, которые могут предвещать опасный для жизни процесс.
Подробнее »»

18.10 - 16:28

Уникальная ягода - голубика

Голубика — это небольшой кустарник с плодами черного цвета, относящийся к семейству вересковых.
Подробнее »»

18.10 - 15:34

Горбатые киты загнали рыбу себе в пасть грудными плавниками

Морские биологи сняли на видео неизвестную ранее тактику охоты двух горбатых китов, говорится в Royal Society Open Science.
Подробнее »»

18.10 - 15:21

Жирные волосы: причины и лечение

Нездоровый блеск волос может появиться уже вскоре после мытья головы, а все дело в повышенной продукции секрета сальных желез, деятельность которых по определенным причинам нарушается и выделяет слишком много кожного сала, придающего волосам лоснящийся и
Подробнее »»

18.10 - 14:25

Опасны для жизни: в лаки для ногтей добавляют высокотоксичные вещества

В лаках для ногтей присутствуют высокотоксичные и потенциально опасные для жизни вещества, добавляемые в них производителями для улучшения характеристик этого косметического продукта. Об этом сообщили российские ученые.
Подробнее »»

18.10 - 14:24

Поясничный остеохондроз: симптомы и лечение

Одной из наиболее частых причин болей в спине является остеохондроз.
Подробнее »»


Загрузка...
Loading...

Справочная информация

Загрузка...