©Marcel Workamp
Iedereen kent de fascinerende bewegingspatronen van een zwerm vogels in de lucht. Hoe bepalen die vogels hun collectieve koers? ‘De afzonderlijke vogels zien en voelen hun directe omgeving, maar hebben geen idee waar de zwerm naartoe gaat’, zegt Joshua Dijksman, docent bij Physical Chemistry and Soft Matter. ‘Ik wilde weten: hoe kan dat collectieve gedrag van de vogels ontstaan en wie of wat stuurt het aan?’
Schijfjes
Daarvoor ontwikkelde hij samen met student Marcel Workamp en collega’s van North Carolina State University een modelsysteem. Met een 3d-printer maakten ze ronde schijfjes met gaatjes er in. Die schijfjes liet hij ‘drijven’ op een ronde airhockeytafel, zo’n tafel met gaatjes waaruit lucht komt. Door ook gaatjes in de ronde schijven te maken, gingen die vanzelf ronddraaien. ‘De schijfjes hebben rotatie-energie en geen bewegingsenergie, ze gaan alleen vooruit na een botsing’, zegt Dijksman.
Waterstroming
Dit model lijkt op de omstandigheden in een zwerm vogels of een school vissen, waarin de dieren hun vlieg- of zwemrichting aanpassen als ze de nabijheid van hun soortgenoten voelen via de water- en luchtbeweging. ‘De dieren botsen niet, wij denken dat ze anticiperen op de lucht- en waterstroming. Onze resultaten suggereren dat dat een sturingsmechanisme van een zwerm kan zijn.’
Botsen
Dijksman maakte de ventilatiekanaaltjes in de schijven zo dat ze linksom, tegen de klok in draaiden. Bij een lage dichtheid op het hockeyveld botsten de schijfjes vooral met hun rechterkant tegen de wand en gingen ze daardoor collectief met de klok mee bewegen. Maar bij hoge dichtheid botsten ze vaker met hun linkerkant tegen elkaar en werden de schijven de andere richting op gekaatst. Na verloop van tijd bewogen ze allemaal linksom, tegen de klok in. ‘Wrijving is heel erg van belang voor het zwermgedrag’, zegt Dijksman.
Poeders
Dijksman werkt bij Fysische Chemie & Soft Matter. Wat was de aanleiding om zich te verdiepen in zwermen actieve deeltjes? ‘Onze groep werkt veel met granulaire materialen, denk aan koffie, zand en poeders. Het stromingsgedrag van deze materialen is bijzonder: soms stroomt een poeder, soms is het vast. Onze Amerikaanse collega’s bestudeerden de wisselwerking van de deeltjes in deze materialen met airhockeytafels. We wilden weten hoe actieve deeltjes dit stromingsgedrag beïnvloeden. In fysische termen: we bestuderen emergent, dus spontaan gedrag in complexe systemen. En toen bedachten we dat onze 3d-printer deze actieve deeltjes kon printen; dat was de directe aanleiding voor deze test.’ Hij publiceerde het artikel op 6 juni in het tijdschrift Soft Matter.
Opvallende uitkomst van dit onderzoek: de schijven op de airhockey-tafel van Dijksman bewegen precies hetzelfde als de atomen in een ideaal gas. Dat maakt zijn opstelling tot een geweldig modelsysteem voor de fundamentele natuurkunde.
Rups
Heeft zijn vinding ook nut? Als je de principes van een zwerm vogels snapt, kun je misschien andere materialen maken, denkt de in Leiden opgeleide fysicus. Voorbeeld: je kunt machines een rupsbeweging laten maken, maar dan moet je alle onderdelen van de rups apart aansturen. Volgens het principe van de zwerm zou je met een enkele stimulans moeten kunnen volstaan, vermoedt Dijksman. ‘Maar dat is toekomstmuziek.’