视频:帝企鹅群体聚集的物理学

每一个小家伙都在努力与邻居保持最佳距离。

就像体育比赛中烦人的(是的,我说了)观众一样,帝企鹅也会“造浪”。就像这样

这种“造浪”发生在企鹅们挤在一起时,这种行为可以帮助它们在气温可达零下50摄氏度(零下58华氏度)、风速高达每小时200公里(约120英里/小时)的环境中保持温暖。成千上万只企鹅可以聚集在一起形成一个群体。偶尔,会有一只企鹅移动。这会引发整个系统的连锁反应,研究人员称之为“波浪”。现在,来自德国和法国的研究人员已经弄清楚了这些波浪背后的数学原理,就像你所做的那样。

研究人员发现,企鹅会立即对周围的同伴的动作做出反应。也就是说,当一只企鹅看到前面的企鹅向前迈步时,它也会向前迈步。同时,这一步又会促使它身后的企鹅向前迈步。一只移动的企鹅也会让它前面的企鹅向前迈步,以此类推,直到队伍的最前面。将成千上万只企鹅的这些调整加起来,你就得到了企鹅的“造浪”现象。

其他研究人员发现,(飞行的)鸟群和鱼群的运作方式也类似。尽管人类观察者可能会看到成群结队的动物瞬间闪过时形成的复杂图案,但单个动物并没有对整个群体样貌的整体概念;它只是专注于对周围邻居的动作做出反应

为了验证他们的想法,企鹅研究人员建立了一个群体挤压的数学模型,然后将模型的计算结果与他们在法国南极研究基地杜蒙特·德·乌尔维尔(Dumot d’Urville)及其德国对应研究基地诺伊迈尔三世(Neumayer III)附近生活的帝企鹅群落的延时录像进行了比较。

以下是他们的发现:

  • 群体中的任何一只企鹅都可以引发一次“造浪”。只需要迈出一步,尽管波浪传播的速度取决于发起者迈出步子的大小。
  • 企鹅喜欢彼此保持大约两厘米的距离。每只企鹅的隔热羽毛层大约有1.2厘米厚,所以研究人员认为,企鹅们在挤在一起时可能只是轻微地接触彼此,这样它们就能靠得很近,但又不会压坏它们天然的隔热层。
  • 两个带有波浪传播的 nearby 企鹅群体可以合并,研究人员在他们的模型和企鹅视频中都发现了这种现象。

关于企鹅挤压,仍然存在一些未解之谜。例如:

  • 为什么“造浪者”会引发“造浪”?(它只是在调整重心吗?谁知道呢?)
  • 为什么两次“造浪”之间通常会有30秒或更长的延迟,在这段时间里所有企鹅都静止不动?

研究人员于今日在《新物理学杂志》(New Journal of Physics)上发表了他们的研究成果

 

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Francie Diep 是一位居住在加利福尼亚州圣巴巴拉的科学记者。除了《Popular Science》,她的作品还发表在《Scientific American》、《Smithsonian》及其他刊物上。她对基因、细胞、机器人、档案馆以及互联网上的奇特内容着迷。

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