|
PresentationsMathematical modeling of vortex movements in the process of collective behavior of animalsPerm National Research Polytechnic University, Faculty of Applied Mathematics and Mechanics, Department of Applied Physics, Russia, 614990, Perm, Professor Pozdeev St., 11, Tel.: +7 (342) 2-391-283, KVKostarev@pstu. ru, DABracun@pstu.ru Коллективное поведение позволяет живым существам успешно решать разнообразные задачи: защита от опасностей, эффективное использование доступных ресурсов и приспособление к изменениям окружающей среды. Известным примером механизмов коллективного поведения является биоконвекция, которая наблюдается в растворах с анаэробными бактериями. Инстинктивное движение бактерий по градиенту кислорода приводит среду к фазовому переходу второго рода, запускающему макроскопическое упорядоченное движение элементов среды. Биоконвекция встречается не только у бактерий. В данной работе исследуется адаптационное поведении императорских пингвинов (лат. Aptenodytes forsteri) во период зимовки в Антарктиде. Экспериментальные наблюдения авторов [1] показывают, что критически низкие температуры и шквальный ветер побуждают сотни особей собираться в плотные группы, внутри которых устанавливается комфортная температура. Это позволяет установить аналогию между перестройкой пингвинов в пространстве и фазовыми переходами первого рода. Когда пингвины формируют плотные группы, внутри них возникает циркуляция птиц от края толпы к её центру и обратно. То есть в сложной системе из пингвинов происходит также и фазовый переход второго рода. Мы предлагаем математическую модель данного явления, которая опирается на гипотезу о том, что эффективная подъемная сила в стае генерируется градиентом температуры. Особи представлены в виде совокупности дискретных тел, взаимодействующих друг с другом в соответствии с эффективным потенциалом, вид которого зависит как от физических эффектов, так и от социо-физических процессов в стае. Модель с индивидуальной динамикой элементов может воспроизвести большинство наблюдаемых явлений в стаях императорских пингвинов. Например, продемонстрирован фазовый переход к вихревому движению при понижении температуры внешней среды. Поведение пингвинов сходно с явлениями в гранулированной среде, в которой также могут сосуществовать разные агрегатные состояния. В среду внедряется контролируемый агент, который способен выступать в качестве катализатора или ингибитора процесса самоорганизации. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № FSNM-2023-0003).
Литература 1. Richter S., Gerum R., Winterl A., Houstin A., Seifert M., Peschel J., Fabry B., Le Bohec C., Zitterbart D. P. Phase transitions in huddling emperor penguins // J. Phys. D Appl. Phys. 2018. Vol. 51. No. 21. 214002.
Presentation |
