Ученые обнаружили, что когда стайке голубых неонов нужно проплыть узкое отверстие, они целой группой собираются около прохода, однако благодаря тому, что каждая особь соблюдает дистанцию с остальными и ждет своей очереди, затора и толкучки не образуется. В результате вся стайка быстро преодолевает препятствие.
Для сравнения, люди, овцы и многие другие животные в похожих ситуациях устраивают давку и движутся медленно. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Scientific Reports.
Когда большая толпа в спешке пытается покинуть помещение через единственный узкий проход, возникает давка. Она может привести к тяжелым увечьям и гибели людей. Неудивительно, что ученые давно пытаются разработать подходы, которые сделают быструю эвакуацию более эффективной и менее рискованной. Для этого они моделируют поведение человеческих толп и других дискретных объектов, движущихся через узкий проход.
Благодаря подобным работам исследователям удалось выяснить, что чем выше скорость, с которой люди пытаются покинуть помещение, тем медленнее идет эвакуация. При этом человеческий поток постоянно останавливается из-за того, что отдельные члены толпы мешают другу другу на выходе. Аналогичные закономерности ограничивают скорость движущихся через узкий проход домашних овец (Ovis aries), микроскопических водорослей и даже зерен и коллоидных систем. Впрочем, некоторые виды муравьев даже в состоянии сильного стресса не толпятся у выхода, а дают пройти другим, что позволяет поддерживать высокую скорость движения.
Команда специалистов под руководством Орели Дюпон (Aurélie Dupont) из Университета Гренобль-Альпы обратила внимание, что до сих пор принципы движения толпы через узкий проход никогда не проверяли на водных животных. Чтобы исправить это упущение, исследователи провели ряд экспериментов с голубыми неонами (Paracheirodon innesi) — популярными аквариумными рыбками из семейства харациновых (Characidae), которые дорастают до трех сантиметров в длину и живут стайками как минимум по шесть-восемь особей.
В ходе испытаний исследователи сажали группы по 30 неонов в аквариум глубиной десять сантиметров, разделенный на две равные части перегородкой с отверстием в центре. В зависимости от теста диаметр этого отверстия составлял от полутора до четырех сантиметров. Осторожно подталкивая рыбок сачком, авторы вынуждали их приблизиться к перегородке и проплыть сквозь отверстие на другую половину аквариума. Поведение неонов при этом снимали на видеокамеру.
Проанализировав полученные видеозаписи, Дюпон и ее коллеги пришли к выводу, что, как и в других экспериментах с живыми существами и дискретными предметами, скорость движения рыбок через отверстие увеличивается вместе с его диаметром. Через полуторасантиметровое отверстие за секунду проходил один неон, а через четырехсантиметровое — уже три. Однако при определенном диаметре отверстия скорость движения рыбок оставалось одинаковой.
Помимо скорости перемещения рыб, исследователи оценили их плотность на участке площадью восемь на пять сантиметров перед выходом из отсека. Для отверстий диаметром более двух сантиметров была выявлена следующая закономерность. Когда на другую сторону аквариума переплывала первая половина стайки, плотность неонов на выбранном участке оставалась стабильной, а когда через отверстие начинала проплывать вторая половина стайки, плотность рыбок перед отверстием сокращалась — пока здесь не оставалось ни одной особи. Таким образом, если отверстие достаточно большое, рыбки, пытающиеся пройти на другую сторону аквариума, не будут толпиться около него и мешать сородичам.
При диаметре отверстия меньше двух сантиметров плотность неонов перед ним некоторое время росла. Это указывает на скопление рыбок в зоне ожидания. Однако даже в этом случае плотность группы была намного ниже максимально возможных значений, а рыбки не соприкасались друг с другом.
По мнению авторов, неоны избегают давки за счет того, что соблюдают два правила. Когда величина отверстия превышает два сантиметра, они сохраняют между собой дистанцию в среднем в 2,18 сантиметра и переходят на другую сторону аквариума, только дождавшись своей очереди. Это позволяет рыбкам быстро проходить через отверстие друг за другом и поддерживать постоянную скорость потока. Вероятно, неоны обзавелись подобными особенностями поведения, чтобы в дикой природе пробираться между скалами и камнями на дне водоемов. Однако если диаметр прохода меньше двух сантиметров (то есть заметно меньше социальной дистанции между особями), рыбки начинают скапливаться перед ним, несмотря на то, что физически вполне могут его преодолеть. В результате скорость их перехода на другую сторону аквариума снижается.
Моделирование показывает, что неоны движутся через отверстие как деформируемые частицы, например, пузырьки воздуха в воде. Дистанция, которую каждая рыбка соблюдает относительно сородичей, соответствует оболочке пузырька. В результате при увеличении диаметра отверстия и скорости неоны начинают двигаться через проход быстрее. Для сравнения, люди и овцы преодолевают узкие проходы подобно твердым частицам, таким как зерна. Если скорость слишком велика, а отверстие слишком мало, они перекрывают проход и сильно замедляют движение. Однако два этих сценария можно совместить. Эксперименты показывают, что если попросить людей соблюдать дистанцию при эвакуации через узкий проход, то при росте скорости каждого из них вся толпа тоже будет перемещаться намного быстрее. Возможно, дальнейшее изучение голубых неонов поможет найти новые способы предотвращать давку — а также программировать движение роботов и беспилотных автомобилей.
Автор: Сергей Коленов