Molte specie di pesci nuotano in banchi e gli uccelli volano in stormi. Tale comportamento collettivo deve derivare dalle interazioni tra gli animali. Come funziona era in gran parte poco chiaro. Ora, due ricercatori di Wageningen forniscono importanti informazioni sul meccanismo alla base di questo comportamento. Marcel Workamp e colleghi hanno sviluppato un sistema modello in cui mostrano sperimentalmente che il comportamento dello sciame è principalmente governato dall'attrito.

Il sistema modello che il dottorando Marcel Workamp e Joshua Dijksman della Wageningen University &Research hanno sviluppato con i colleghi della North Carolina State University (Raleigh, NOI), è fortemente ispirato al gioco arcade 'air hockey'. Soffiando continuamente aria attraverso piccoli fori nel tavolo, il disco nell'air hockey (l'uccello) galleggia sul tavolo senza subire attrito. Per spingere il disco, i ricercatori hanno aggiunto canali di ventilazione ai dischi, in modo tale che l'aria proveniente dalla tavola ad aria spinga ciascun disco a ruotare nella stessa direzione. Nel sistema modello, questa direzione era in senso antiorario.

Questa semplice aggiunta porta già a un comportamento collettivo straordinario. Dijksman e colleghi utilizzano un tavolo circolare a cui aggiungono quantità crescenti di dischi che ruotano individualmente in senso antiorario. Utilizzando l'analisi delle immagini, hanno seguito con precisione la posizione di ciascun disco.

Come risulta, se ci sono solo pochi dischi, si scontrano per lo più con il muro esterno. Questo porta ad un movimento complessivo dei dischi, che è in senso orario. Man mano che si aggiungono più particelle, si verifica una transizione notevole:il movimento collettivo dei dischi inverte la direzione. Si muovono tutti in senso antiorario.

Questo comportamento collettivo nasce dalla collisione tra le particelle, in cui scambiano energia dalla loro rotazione a energia di movimento. Questo scambio può avvenire solo se c'è sufficiente attrito tra le particelle. Dopotutto, è allora che lo scambio di energia è massimizzato.

L'attrito migliora il comportamento collettivo

Per migliorare ulteriormente l'attrito tra i dischi, il team di ricerca ha aggiunto piccole "orecchie" ai dischi utilizzando la stampa 3D. In questo modo sono stati in grado di migliorare il comportamento collettivo. Aggiungendo le orecchie, la quantità di particelle necessarie per ottenere l'inversione del senso di marcia diminuisce notevolmente aggiungendo le orecchie. Senza queste orecchie che aumentano l'attrito, erano necessari più dischi per invertire la direzione generale del movimento.

Le osservazioni dimostrano che le singole particelle nel modello, uccelli in uno stormo o pesci in un banco, può mostrare un comportamento di sciamatura basato esclusivamente sull'attrito tra le particelle, senza 'vedersi'. Sorprendentemente, le particelle attive si conformano anche a leggi che valgono per quelle passive, particelle di gas molecolare in una nuvola di gas, in cui le particelle, guidato dalla temperatura, manifestano anche comportamenti collettivi. Il sistema modello di Dijksman mostra quindi che il comportamento collettivo può essere ottenuto utilizzando pochi ingredienti. Perciò, la ricerca non è rilevante solo per comprendere il comportamento degli sciami negli animali, ma anche per lo sviluppo di nuovi materiali in cui l'attività delle singole particelle potrebbe portare a nuove proprietà del materiale.