Mecánica de fluidos y movimiento colectivo animal: una revisión de la analogía hidrodinámica
DOI:
https://doi.org/10.34188/bjaerv9n3-081Palavras-chave:
mecânica dos fluidos, movimento coletivo, partículas autopropelidas, cardumes, comportamento coletivo, insetos sociaisResumo
Este artigo analisa a relação entre a mecânica dos fluidos e o movimento coletivo de animais, abordando sistemas como cardumes de peixes, rebanhos de mamíferos, bandos de aves e colônias de insetos, incluindo abelhas e formigas. Por meio de uma revisão da literatura sobre modelos computacionais e teorias físicas, discute-se o potencial da analogia hidrodinâmica, particularmente representada pelos modelos de partículas autopropelidas (Self-Propelled Particles – SPP), como estrutura conceitual para descrever a emergência de padrões coletivos em sistemas biológicos. A análise evidencia que, de forma análoga ao comportamento de fluidos, interações locais entre indivíduos, na ausência de um mecanismo centralizado de controle, podem resultar em comportamentos coletivos complexos e organizados. Além de contribuir para a compreensão dos mecanismos que governam esses sistemas, essa abordagem apresenta aplicações em áreas como a eficiência energética de cardumes, a dinâmica de deslocamento de grupos animais e a otimização do fluxo em trilhas de formigas.
Referências
ASHRAF, I.; BRUNTON, S. L.; XIAO, Q.; YAN, J.; ZHAO, J.; HOU, M.; YUE, D.; XIE, G. Simple phalanx pattern leads to energy saving in cohesive fish schooling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Washington, v. 114, n. 36, p. 9599–9604, 2017. DOI: 10.1073/pnas.1706503114.
BALLERINI, M.; CABIBBO, N.; CANDELIERI, A.; CAVAGNA, A.; CILIBERTO, S.; GIARDINA, I.; ORLANDINI, G.; PARISI, G.; PROCACCINI, A.; VIALE, M.; ZDRAVKOVIC, V. Interaction ruling animal collective behavior depends on topological rather than metric distance. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Washington, v. 105, n. 4, p. 1232–1237, 2008. DOI: 10.1073/pnas.0711437105.
BELLOMO, N.; SOLER, J. On the mathematical theory of the dynamics of swarms viewed as complex systems. Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, v. 22, Suppl. 1, 2012. DOI: 10.1142/S0218202511400069.
CAMAZINE, S.; DENEUBOURG, J. L.; FRANKS, N. R.; SNEYD, J.; THERAULAZ, G.; BONABEAU, E. Self-Organization in Biological Systems. Princeton: Princeton University Press, 2001.
CARRILLO, J. A.; FORNASIER, M.; TOSCANI, G.; VECIL, F. Particle, kinetic, and hydrodynamic models of swarming. In: BELLOMO, N.; DEGOND, P.; TOSCANI, G. (ed.). Mathematical Modeling of Collective Behavior in Socio-Economic and Life Sciences. Boston: Birkhäuser, 2010. p. 297–336. DOI: 10.1007/978-0-8176-4946-3.
COUZIN, I. D.; KRAUSE, J. Self-organization and collective behavior in vertebrates. Advances in the Study of Behavior, v. 32, p. 1–75, 2003. DOI: 10.1016/S0065-3454(03)01001-5.
COUZIN, I. D.; KRAUSE, J.; JAMES, R.; RUXTON, G. D.; FRANKS, N. R. Collective memory and spatial sorting in animal groups. Journal of Theoretical Biology, v. 218, n. 1, p. 1–11, 2002. DOI: 10.1006/jtbi.2002.3065.
GIARDINA, I. Collective behavior in animal groups: theoretical models and empirical studies. HFSP Journal, v. 2, n. 4, p. 205–219, 2008. DOI: 10.2976/1.2961038.
HAMILTON, W. D. Geometry for the selfish herd. Journal of Theoretical Biology, v. 31, n. 2, p. 295–311, 1971. DOI: 10.1016/0022-5193(71)90189-5.
HELBING, D. Traffic and related self-driven many-particle systems. Reviews of Modern Physics, v. 73, n. 4, p. 1067–1141, 2001. DOI: 10.1103/RevModPhys.73.1067.
HEMELRIJK, C. K.; REID, D. A. P.; HILDENBRANDT, H.; PADDING, J. T. The increased efficiency of fish swimming in a school. Fish and Fisheries, Oxford, v. 16, n. 3, p. 511–521, 2015. DOI: 10.1111/faf.12072.
KRAUSE, J.; RUXTON, G. D. Living in Groups. Oxford: Oxford University Press, 2002.
LISSAMAN, P. B. S.; SHOLLENBERGER, C. A. Formation flight of birds. Science, Washington, v. 168, n. 3934, p. 1003–1005, 1970. DOI: 10.1126/science.168.3934.1003.
MARCHETTI, M. C.; JOANNY, J.-F.; RAMASWAMY, S.; LIVERPOOL, T. B.; PROST, J.; RAO, M.; SIMHA, R. A. Hydrodynamics of soft active matter. Reviews of Modern Physics, v. 85, n. 3, p. 1143–1189, 2013. DOI: 10.1103/RevModPhys.85.1143.
MISHRA, S.; BASKARAN, A.; MARCHETTI, M. C. Fluctuations and pattern formation in self-propelled particles. Physical Review E, v. 81, 061916, 2010. DOI: 10.1103/PhysRevE.81.061916.
PHILLIPS, J. J. C.; JACKSON, D. E.; ROBERTS, S.; FRANKS, N. R. Crowded corridors: ants show high-speed and decreasing jam density. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, London, v. 273, n. 1589, p. 1393–1398, 2006. DOI: 10.1098/rspb.2005.3442.
PORTUGAL, S. J.; HUBEL, T. Y.; FRITZ, J.; HEESEN, N. J.; TROBE, D.; VOELKL, B.; HAILS, R. S.; WILSON, A. M.; USHERWOOD, J. R. Upwash exploitation and downwash avoidance by flap phasing in ibis formation flight. Nature, London, v. 505, n. 7483, p. 399–402, 2014. DOI: 10.1038/nature12939.
REYNOLDS, C. W. Flocks, herds, and schools: a distributed behavioral model. Computer Graphics, v. 21, n. 4, p. 25–34, 1987. DOI: 10.1145/37401.37406.
SCHOLZ, C.; PESHKOV, A.; LÖWEN, H. Inertial delay of self-propelled particles. Physical Review Letters, v. 121, 218003, 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.218003.
STRÖMBOM, D.; MANN, R. P.; WILSON, A. M.; HAILS, R. S.; MORTON, A. J.; SUMPTER, D. J. T.; KING, A. J. Solving the shepherding problem: heuristics for herding autonomous, interacting agents. Journal of the Royal Society Interface, v. 11, n. 100, 2014. DOI: 10.1098/rsif.2014.0719.
SUMPTER, D. J. T. The principles of collective animal behaviour. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, v. 361, n. 1465, p. 5–22, 2006. DOI: 10.1098/rstb.2005.1733.
TONER, J.; TU, Y. Long-range order in a two-dimensional dynamical XY model: how birds fly together. Physical Review Letters, v. 75, n. 23, p. 4326–4329, 1995. DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.4326.
TONER, J.; TU, Y. Flocks, herds, and schools: a quantitative theory of flocking. Physical Review E, v. 58, n. 4, p. 4828–4858, 1998. DOI: 10.1103/PhysRevE.58.4828.
TOZZI, A. Flock members experience gas pressures higher than lone individuals. Biosystems, Amsterdam, v. 238, art. 105192, 2024. DOI: 10.1016/j.biosystems.2024.105192.
VERMA, S.; NOVATI, G.; KOUMOUTSAKOS, P. Efficient collective swimming by harnessing vortices through deep reinforcement learning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Washington, v. 115, n. 23, p. 5849–5854, 2018. DOI: 10.1073/pnas.1800923115.
VICSEK, T.; CZIROK, A.; BEN-JACOB, E.; COHEN, I.; SHOCHET, O. Novel type of phase transition in a system of self-driven particles. Physical Review Letters, v. 75, n. 6, p. 1226–1229, 1995. DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.1226.
VICSEK, T.; ZAFEIRIS, A. Collective motion. Physics Reports, v. 517, n. 3–4, p. 71–140, 2012. DOI: 10.1016/j.physrep.2012.03.004.
WEIHS, D. Hydromechanics of fish schooling. Nature, London, v. 241, p. 290–291, 1973. DOI: 10.1038/241290a0.
Downloads
Publicado
Como Citar
Edição
Seção
Licença
- O conteúdo dos artigos é de responsabilidade exclusiva dos autores.
- É permitida a reprodução total ou parcial do conteúdo dos artigos, desde que citada a fonte.
- Artigos com plágio serão recusados, e o autor do plágio perderá o direito de publicar nesta revista.
- Os nomes e endereços informados nesta revista serão utilizados exclusivamente para os serviços prestados por esta publicação e não estão disponíveis para outros fins ou a terceiros.
- Depois de enviar os artigos, os autores cedem os direitos autorais de seus artigos ao BJAER. Se você se arrepender da submissão, o autor tem o direito de solicitar ao BJAER que não publique seu artigo. Porém, essa solicitação deve ocorrer até dois meses antes da divulgação do número que o artigo será publicado.
- O BJAER usa a licença Creative Commons CC BY. Informações sobre esta licença podem ser encontradas em: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
Brazilian Journal of Animal and Environmental Research (BJAER) se reserva o direito de efetuar nos originais alterações de ordem normativa, ortográfica e gramatical, com vistas a manter o padrão culto da língua, respeitando, porém, o estilo dos autores. Os trabalhos finais não serão enviadas aos autores.
