Или, говоря более техническим языком, флокирование.Но птицы — не единственные существа, которые собираются в стаи. Такое поведение также имеет место в микроскопическом масштабе, например, когда бактерии бродят по складкам кишечника. Тем не менее, птица или бактерия, все стайки имеют одну предпосылку: форма существа должна быть удлиненной с «головой» и «хвостом», чтобы выравниваться и двигаться с соседями в упорядоченном состоянии.
Физики изучают группировку, чтобы лучше понять динамическую организацию в различных масштабах, часто как способ расширить свои знания о быстро развивающейся области активной материи. Речь идет о новом анализе, проведенном группой физиков-теоретиков, включая Марка Боуика, заместителя директора Института теоретической физики им. Кавли Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (KITP).
Обобщая стандартную модель флокирующего движения на изогнутую поверхность сферы, а не на обычную линейную плоскость или плоское трехмерное пространство, команда Боуика обнаружила, что вместо того, чтобы равномерно распространяться по всей сфере, агенты, подобные стрелам, спонтанно формируют круговые полосы с центром на экватор. Выводы команды опубликованы в журнале Physical Review X.«Будь то скопление бактерий, блуждающие клетки или летящие энергозатратные« стрелы », эти системы обладают универсальными характеристиками, не зависящими от точного размера и структуры агентов, а также их детального взаимодействия», — сказал автор-корреспондент Боуик, который находится в отпуске из Сиракузский университет, когда он работал в KITP. «Упорядоченные состояния этих систем никогда не бывают идеально однородными, поэтому колебания плотности создают звук, почти так же, как духовые инструменты создают музыку».
На изогнутых поверхностях команда, в которую входят генеральный член KITP Кристина Маркетти и выпускник KITP Сурадж Шанкар, нашла «особые» режимы звука, которые не рассеиваются и не обтекают препятствия. Согласно Бовику, эти специальные режимы соответствуют особым гармоникам или тонам, которые не смешиваются со всеми другими гармониками.Он также отметил, что эти режимы являются особенными именно потому, что геометрия полосы экватора сильно отличается от плоской геометрии плоской поверхности.
Например, частица, движущаяся по кольцу, возвращается в исходную точку, даже если движется по «прямому» пути. Этого не происходит на плоскости, где сущности вечно движутся по прямой линии, чтобы никогда не вернуться, если только они не встретятся с ребром. Эта особенность является прямым следствием очень разной топологии сферы и плоскости.
«Несмотря на то, что сама сфера не имеет края, у образов роения есть край — край ленты», — сказал Боуик. «Таким образом, просто локально потребляя энергию, активные агенты на сфере спонтанно роятся и создают край».Авторы также проанализировали другую изогнутую форму — фигуру в форме песочных часов, называемую катеноидом. В отличие от сферы, на которой сходятся параллельные линии, вогнутая кривизна катеноида заставляет параллели расходиться.
Эта противоположная кривизна подталкивает стекающиеся объекты и связанные с ними звуковые волны к верхнему и нижнему краям песочных часов, оставляя середину пустой — в отличие от того, что происходит на сфере.«Сам факт того, что эти системы объединяются, довольно примечателен, потому что они динамически генерируют движение», — сказал Шанкар, докторант по программе «Мягкая материя» на физическом факультете Сиракузского университета. «Но это гораздо более богатые системы, чем мы ожидали, потому что они также генерируют эти« топологически защищенные »звуковые режимы».