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Partículas autopropulsadas
Las partículas autopropulsadas (PAP), asimismo conocido como partículas auto-impulsadas, son un término usado por los físicos para describir a los agentes autónomos, que transforman la energía del medioambiente en movimiento dirigido o bien persistente. Los ejemplos en la vida rutinaria de semejantes agentes son animales camin, nadar o bien voladores . Otros sistemas biológicos incluyen las bacterias, las células, las algas y otros microorganismos. Por norma general, dirigida propulsión en los sistemas biológicos se conoce como la quimiotaxis. Uno puede meditar asimismo en los sistemas artificiales como robots o bien partículas particularmente diseñadas, como la natación coloides de Janus, nanomotores, granos andantes, y otros. La interacción de las particulas autopropulsadas ocurre conforme a diferentes reglas físicas y sociales, lo que puede conducir a la aparición de comportamientos colectivos, como flocado de aves, enjambres de insectos, la capacitación de rebaños de ovejas, etc. Para comprender la omnipresencia de estos fenómenos, los físicos han desarrollado una serie de de modelos. Estos modelos pronostican que las partículas autopropulsadas comparten ciertas propiedades a nivel de conjunto, con independencia del género de animales en el enjambre. Se ha transformado en un reto en la física teorética para hallar un mínimo de modelos estadísticos que describan estos comportamientos. La mayoría de los animales puede ser vistas como PAPs: consiguen la energía de su comestible y presentan distintas estrategias de locomoción, desde volar a gatear. Los ejemplos más señalados son los bancos de peces, bandadas de aves, rebaños de ovejas, multitudes. En una escala menor, las células y las bacterias asimismo pueden ser tratados como PAP. Estos sistemas biológicos pueden impulsarse desde la presencia de factores quimiotácticos. Aun a pequeña escala, motores moleculares convierten la energía del ATP en movimiento direccional. El trabajo reciente ha probado que las moléculas de la enzima asimismo se impulsan a sí mismos. Además de esto, se ha probado que avanzan preferiblemente cara una zona de mayor concentración de sustrato, un fenómeno que se ha transformado en una técnica de purificación para aislar las enzimas «vivas». Normalmente se distingue entre sistemas «húmedos» y «secos». En el primer caso, las partículas «nadan» en un líquido circundante; en el segundo caso las partículas «caminan» sobre un sustrato. Las partículas coloidales activas son el ejemplo prototípico de mojado PAP: partículas coloidales de Janus tienen 2 aspectos diferentes, tienen diferentes propiedades físicas o bien químicas. Esta rotura de la simetría deja, a través de la conveniente sintonía con el ambiente (por norma general la solución circundante), para el movimiento de la Janus de la partícula. Por servirnos de un ejemplo, las 2 caras de Jano partícula puede inducir a un local de gradiente de temperatura, campo eléctrico, o bien la concentración de especies químicas. Esto induce el movimiento de la partícula de Janus a lo largo del gradiente a través de termoforesis, electroforesis o bien difusoforesis respectivamente. Dado a que las partículas de Janus consumen la energía de su ambiente (la catálisis de las reacciones químicas, la absorción de luz, etcétera, el movimiento resultante forma un proceso irreversible y las partículas están fuera de equilibrio. Los granos paseantes son una materialización propia de PAPs «en seco»: Los granos son discos milimétricos preparados en una placa vibrátil vertical, que sirve como fuente de energía y cantidad de movimiento. Los discos tienen 2 contactos diferentes («pies») con la placa, un pie en forma de aguja duro en la parte delantera del pie y una enorme goma blanda en la parte trasera. Cuando son sacudidos, los discos se mueven en una dirección preferente definida por la simetría polar (cabeza-cola) de los contactos. Esto, conjuntamente con el estruendos de vibración resulta en un camino azaroso persistente. Las langostas del desierto jóvenes son ninfas solitarias y sin alas. Si el alimento es escasa, pueden reunirse y empezar a ocupar las zonas vecinas, reuniendo más langostas. Con el tiempo pueden transformarse en un ejército paseante, que puede extenderse por muchos quilómetros. Esto puede ser el prólogo del desarrollo de grandes enjambres de langostas adultas volando que devastan la flora a escala continental. Una de las predicciones claves del modelo, es que conforme la densidad poblacional de un conjunto aumenta, se genera una transición abrupta: desde individuos que se mueven de forma parcialmente desorganizada y también independientes en el conjunto, hasta el movimiento del conjunto como un todo enormemente organizado. Thus, in the case of young desert locusts, a trigger point should occur which turns disorganised and dispersed locusts into a coordinated marching army. When the critical population density is reached, the insects should start marching together in a stable way and in the same direction. In dos mil seis, a group of researchers examined how this model held up in the laboratory. Locusts were placed in a circular arena, and their movements were tracked with computer software. At low densities, below dieciocho locusts per square metre, the locusts mill about in a disordered way. At intermediate densities, they start falling into line and marching together, punctuated by abrupt but coordinated changes in direction. However, when densities reached a critical value at about setenta y cuatro locusts/m2, the locusts ceased making rapid and spontaneous changes in direction, and instead marched steadily in the same direction for the full eight hours of the experiment (see vídeo on the left). This confirmed the behaviour predicted by the SPP models. In the field, according to the Food and Agriculture Organization of the United Nations, the average density of marching bands is cincuenta locusts/m2 (cincuenta million locusts/km2), with a typical range from veinte to ciento veinte locusts/m2.:29 The research findings discussed above demonstrate the dynamic instability that is present at the lower locust densities typical in the field, where marching groups randomly switch direction without any external perturbation. Understanding this phenomenon, together with the switch to fully coordinated marching at higher densities, is essential if the swarming of desert locusts is to be controlled. Swarming animals, such as ants, bees, fish and birds, are often observed suddenly switching from one state to another. For example, birds abruptly switch from a flying state to a landing state. Or fish switch from schooling in one direction to schooling in another direction. Such state switches perro occur with astonishing speed and synchronicity, as though all the members in the group made a unanimous decision at the same moment. Phenomena like these have long puzzled researchers. In dos mil diez, Bhattacharya and Vicsek used an SPP model to analyse what is happening here. As a paradigm, they considered how flying birds arrive at a collective decision to make a sudden and synchronised change to land. The birds, such as the starlings in the image on the right, have no decision-making leader, yet the flock know exactly how to land in a unified way. The need for the group to land overrides deviating intentions by individual birds. The particle model found that the collective shift to landing depends on perturbations that apply to the individual birds, such as where the birds are in the flock. It is behaviour that perro be compared with the way that sand avalanches, if it is piled up, before the point at which symmetric and carefully placed grains would avalanche, because the fluctuations become increasingly non-linear. "Our main motivation was to better understand something which is puzzling and out there in nature, especially in cases involving the stopping or starting of a collective behavioural pattern in a group of people or animals ... We propose a simple model for a system whose members have the tendency to follow the others both in space and in their state of mind concerning a decision about stopping an activity. This is a very general model, which perro be applied to afín situations." The model could also be applied to a swarm of unmanned drones, to initiating a desired motion in a crowd of people, or to interpreting group patterns when stock market shares are bought or sold.
Modelos de PAP pronostican que los comportamientos emergentes se generan en enjambres independiente del género de animal que esté en él. Sistemas biológicos
Sistemas artificiales
When the density of locusts reaches a critical point, they march steadily together without direction reversals.Atención: este fichero está alojado en un lugar externo, fuera del control de la Fundación Wikimedia. Langostas caminantes
Los desembarques de aves
Flocks of birds cánido abruptly change their direction in unison, and then, just as suddenly, make a unanimous group decision to land Otros ejemplos
Estos modelos de PAP se han aplicado en otras muchas áreas, como cardúmenes de peces, robótica de enjambres, los motores moleculares, el desarrollo de las desbandadas humanas y la evolución de los caminos humanos en los espacios verdes urbanos. Partículas autopropulsadas en el flujo de Stokes, como partículas Janus, de manera frecuente son modelizadas con el modelo squirmer.
