La fisica e le regole delle migrazioni

Cambia la stagione: è il momento per le oche, le rondini e tutti gli altri di cambiare aria. Con o senza noci di cocco.

Pensavate fosse terrotorio esclusivo della biologia, eh? Ma i fisici non sanno resistere quando trovano un problema interessante. O due…

La formazione a V

Diversi grandi uccelli migratori (oche, ma anche gru e pellicani a quanto pare) volano in formazione, con una tipica forma a V. Decisamente non il modo più intuitivo di andarsene in giro.

Migration

CC-BY Mike Lewinski/Flickr

Ma c’è un’ottima ragione per farlo: risparmiare energia. Tenere 5 chili di oca in aria è un lavoraccio di per sé, figuriamoci farli volare attraverso un oceano. Grazie alla formazione a V, però, si risparmia fino al 30% dell’energia.

Con un po’ di dinamica dei fluidi, gli scienziati hanno scoperto come funziona. Durante il volo, dalle ali si solleva una piccola corrente ascensionale, chiamata upwash.

Planes, too, create upwash vortices off their wingtips when flying. Credit: wikimedia

Anche dalle ali degli aerei si forma l’upwash. Credit: wikimedia

Per catturarla, basta stare appena sopra e un po’ a lato dellle ali dell’oca davanti a noi. Ma dovremmo stare alla sua destra o a sinistra? Facile: basta fare quello che hanno fatto quelli davanti. Così terremo un occhio su tutto lo stormo e prenderemo le correnti meno turbolente. Se tutti fanno così, il gruppo disegnerà automaticamente quell’inconfondibile V.

Lo stormo anarchico
Flock

CC-BY-NC Abraham Morales/Flickr

Lunghi voli nonstop non fanno per tutti, quindi non tutti gli uccelli hanno così bisogno di risparmiare energia. Alcuni, come gli storni, sono solo preoccupati di non diventare la cena di qualcuno. Per quello non servono formazioni, basta stare assieme.

Recenti studi (con l’università La Sapienza in pole position) hanno scoperto che questi stormi si muovono assieme senza che nessuno li coordini. Simulando il comportamento degli uccelli al computer, i fisici hanno scoperto che basta dar loro semplici regole da seguire—tipo “non schiantarti contro gli altri” e “vai dove stanno andando i tuoi vicini”, niente di incredibile—per creare stormi compatti che si muovono coerentemente.

Le regole, avrete notato, non sono granché specifiche, potrebbero applicarsi a qualsiasi cosa. È fatto apposta: agli scienziati non interessava nulla se stessero studiando stormi di uccelli, branchi di gnu, banchi di pesci o mucchietti di batteri. Con le stesse regole si trova lo stesso risultato.

Questa è la cosa affascinante di quando i fisici si intrufolano in altri campi: in mezzo al caos di parti che fanno cose diverse, loro scovano quei pochi piccoli ingranaggi che fanno muovere tutto. E capiscono cosa ogni problema ha in comune con altri, apparentemente completamente diversi. I fisici sono fighi.

 

Cover photo: Le tout, CC-BY-ND Eiimeon, via Flickr. Some rights reserved.

Con la citizen science tutti aiutiamo la ricerca

Nel 2000 ho fatto parte del più grande progetto di calcolo del mondo, aiutando a cercare segnali di vita intelligente nell’universo. Stavo iniziando il liceo. Tutto quello che ho dovuto fare è stato scaricare il salvaschermo SETI@home.

Scaricando il salvaschermo, mi sono preso un pacchetto di dati, che il mio computer analizzava quando non lo usavo. I dati venivano dal radiotelescopio di Arecibo (Puerto Rico), che scandaglia continuamente il cielo alla ricerca di possibili segnali da civiltà aliene, ma produce dati più velocemente di quanto si possano analizzare. Perciò i ricercatori hanno creato il salvaschermo, ottenendo l’aiuto di migliaia di nuovi computer.

Niente alieni. Ma il progetto continua ancora, con più di 120 mila utenti attivi.

La schermata di SETI@home. Credit: NASA

SETI@home è solo un esempio di citizen science: progetti scientifici che escono dai laboratori e si fanno aiutare dal grande pubblico. Analizzare le montagne di dati di Arecibo, infatti, non richiede competenze specifiche, ma solo tantissime persone e tempo.

Altri problemi, invece, sono troppo complessi anche per i migliori computer.

Ad esempio, sappiamo (in teoria) come si ripiegano le proteine, ma spesso le molecole sono troppo grandi e complicate da simulare esattamente. D’altra parte, però, anche differenze minime nella struttura possono avere grandi effetti sulla loro funzionalità.

Serve una soluzione creativa. Fortunatamente, gli umani ne trovano più dei computer. Per questo l’Università di Washington ha chiesto aiuto al pubblico, e l’ha fatto con lo strumento più coinvolgente possibile: un videogioco.

Sì chiama foldit ed è scaricabile gratuitamente dal sito dell’università. Lo scopo è ripiegare proteine virtuali, che però seguono le stesse regole di quelle reali. Più stabile è la conformazione che si trova più punti si fanno. Nel 2012, i partecipanti hanno trovato in poche settimane un indizio chiave per capire la struttura di un enzima coinvolto nella riproduzione dell’HIV, con cui gli scienziati si scontravano da anni.

Una schermata di Quantum Moves

Più di recente si è parlato di un nuovo gioco: Quantum Moves. Sviluppato in Danimarca, è disponibile per Windows, Mac, iOS e Android. Lo scopo del gioco è trasportare una specie di strano liquido da un punto all’altro sullo schermo. In realtà, stiamo facendo il lavoro di un tipo di computer quantistico, che calcola spostando singoli atomi da un posto ad un altro. Per giocare, però, non serve sapere nulla di meccanica quantistica: basta uno smartphone e pazienza.

Gli scienziati hanno già pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature che i giocatori hanno risolto alcuni dei problemi più efficientemente dei migliori algoritmi, fornendo indicazioni fondamentali per migliorarli.

La citizen science, quindi, crea non solo risultati concreti, ma anche entusiasmo per la ricerca, sui temi più disparati. Per prendervi un posto nella prossima grande scoperta basta una veloce ricerca su google!

 

Foto copertina: CC0 pixabay.com

Attraverso la foresta

Secondo i ricercatori del MIT, passando un liquido per una microscopica “foresta” di nanotubi di carbonio, si possono filtrare molecole o virus altrimenti difficili da individuare.

“Pensate ad ogni nanotubo come rivestito concentricamente di diversi strati di polimeri—dice Brian Wardle, a capo del progetto—Disegnandoli in sezione, sarebbero come gli anelli di un albero”.

Questi rivestimenti aiutano a catturare alcune molecole nel fluido che viene fatto passare attraverso la foresta. Possono anche essere progettati appositamente per catturare selettivamente una particolare molecola.

I nanotubi di carbonio sono molto popolari di recente, essendo buoni conduttori, leggerissimi ed estremamente resistenti. Assomigliano un po’ ad una rete arrotolata, con un sacco di spazio vuoto. Per questo, una volta messi in piedi, sono ottimi per filtrare liquidi.

Secondo Wardle: “Così si può far passare molto fluido, scartando i milioni di particelle che non servono e acchiappando quella che ci interessa”.

Foto: CC0 Dan Sark, via unsplash.