funzioni di struttura e correlazioni di velocità in stormi di uccelli in volo (slide)
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Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Funzioni di struttura ecorrelazioni di velocità
in stormi di uccelli in voloUn’analisi empirica
nell’ambito del progetto STARFLAG
Relatore CandidatoGiorgio Parisi Alessio CimarelliCorrelatori 697913Andrea CavagnaIrene Giardina
24 settembre 2009
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Indice
Comportamento collettivo animale
Il progetto STARFLAGEsperimentoRisultati storici
Analisi strutturaleGradienti di densitàCorrelazioni di densità
Campi di velocitàCaratterizzazione dinamicaCorrelazioni di velocità
Conclusioni e prospettive
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Esempi biologici di comportamento collettivo
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Esempi biologici di comportamento collettivo
Prima di STARFLAG:I Numerosi modelli e
simulazioniI Molte osservazioni qualitative,
ma pochi dati biologiciquantitativi
I Bassissima base statistica,poche decine di individui
I Bias incontrollabili dovuti albordo dell’aggregato
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
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Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Indice
Comportamento collettivo animale
Il progetto STARFLAGEsperimentoRisultati storici
Analisi strutturaleGradienti di densitàCorrelazioni di densità
Campi di velocitàCaratterizzazione dinamicaCorrelazioni di velocità
Conclusioni e prospettive
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Schema dell’esperimento STARFLAGCavagna et al., The STARFLAG handbook on collective animal behaviour, Animal Behaviour, vol. 76 (2008)
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Schema dell’esperimento STARFLAGCavagna et al., The STARFLAG handbook on collective animal behaviour, Animal Behaviour, vol. 76 (2008)
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Ricostruzione tridimensionaleCavagna et al., The STARFLAG handbook on collective animal behaviour, Animal Behaviour, vol. 76 (2008)
Foto sinistra (C) Foto destra (A)
Posizioni 3D, visuale delle macchine
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Ricostruzione dinamicaStefanini F., Ricostruzione di traiettorie tridimensionali e analisi dinamica di stormi nell’ambito del progetto StarFlag, Tesi di laurea(Febbraio 2009)
Foto destra (A) Foto successiva (A)
Velocità assolute, visuale delle macchine
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
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RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Risultati storiciBallerini et al., Interaction ruling animal collective behavior depends on topological rather than metric distance: Evidence from afield study, PNAS, vol. 105 (2008)
Mappe di anisotropia
Primo vicino
Decimo vicino
Interazione topologica
Fattore di anisotropia
nc = 6.5±0.9
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velocitàin stormi di uccelli
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RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Indice
Comportamento collettivo animale
Il progetto STARFLAGEsperimentoRisultati storici
Analisi strutturaleGradienti di densitàCorrelazioni di densità
Campi di velocitàCaratterizzazione dinamicaCorrelazioni di velocità
Conclusioni e prospettive
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Gradienti interni di densitàBallerini et al., Empirical investigation of starling flocks: a benchmark study in collective animal behaviour, Animal Behaviour, vol. 76(2008)
Serie Uccelli DensitàN % [m−3]
16-05 2941 0.08121-06 717 0.2425-08 1571 0.09125-10 1047 0.34225-11 1176 0.38428-10 1246 0.53831-01 2126 0.04532-06 809 0.78149-05 797 0.84657-03 3242 0.09269-10 1129 0.12169-13 1947 0.15069-19 803 0.375
Tabella: riassunto delleprincipali osservabili globali.
Figura: la distanza media di primo vicinoaumenta avvicinandosi al centro dellostormo.
I Tensione superficialeI Confusion effect
Funzioni di strutturae correlazioni di
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RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Gradienti interni di densitàBallerini et al., Empirical investigation of starling flocks: a benchmark study in collective animal behaviour, Animal Behaviour, vol. 76(2008)
Serie Uccelli DensitàN % [m−3]
16-05 2941 0.08121-06 717 0.2425-08 1571 0.09125-10 1047 0.34225-11 1176 0.38428-10 1246 0.53831-01 2126 0.04532-06 809 0.78149-05 797 0.84657-03 3242 0.09269-10 1129 0.12169-13 1947 0.15069-19 803 0.375
Tabella: riassunto delleprincipali osservabili globali.
Figura: la distanza media di primo vicinoaumenta avvicinandosi al centro dellostormo.
I Tensione superficialeI Confusion effect
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Correlazioni di densitàCavagna et al., New statistical tools for analyzing the structure of animal groups, Mathematical Biosciences, vol. 214 (2008)
Densità condizionale integrata: Γ(r) = 1nc
∑nci=1
Ni(r)4/3πr3
Figura: stormi in cui la scala diomogeneità è pari alla distanzamedia di primo vicino.
Figura: stormi in cui non èpossibile definire una scala diomogeneità.
Funzioni di strutturae correlazioni di
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RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Correlazioni di densitàCavagna et al., New statistical tools for analyzing the structure of animal groups, Mathematical Biosciences, vol. 214 (2008)
Densità condizionale integrata: Γ(r) = 1nc
∑nci=1
Ni(r)4/3πr3
Figura: stormi in cui la scala diomogeneità è pari alla distanzamedia di primo vicino.
Figura: stormi in cui non èpossibile definire una scala diomogeneità.
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
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RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Correlazioni di densitàCavagna et al., New statistical tools for analyzing the structure of animal groups, Mathematical Biosciences, vol. 214 (2008)
Un forte gradiente radiale di densità distrugge l’omogeneità delsistema a grande scala.
Figura: in rosso le curve sintetiche, in nero quelle biologiche. Asinistra le Γ(r), a destra la distanza media di primo vicino in funzionedella distanza dal bordo.
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RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Indice
Comportamento collettivo animale
Il progetto STARFLAGEsperimentoRisultati storici
Analisi strutturaleGradienti di densitàCorrelazioni di densità
Campi di velocitàCaratterizzazione dinamicaCorrelazioni di velocità
Conclusioni e prospettive
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
Alessio Cimarelli
Comportamentocollettivoanimale
Il progettoSTARFLAGESPERIMENTO
RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Caratterizzazione dinamica
Serie |~V | [m/s] ϕ16-05 15.2 0.96217-06 9.4 0.93521-06 11.8 0.97325-08 12.1 0.96225-10 12.5 0.99125-11 10.2 0.95928-10 11.1 0.98229-03 10.4 0.96331-01 6.8 0.84432-06 9.8 0.98142-03 10.4 0.97948-17 11.2 0.88649-05 13.9 0.99554-08 19.1 0.96657-03 14.1 0.97858-06 10.1 0.98463-05 9.9 0.97869-09 11.8 0.98569-10 11.9 0.98769-13 9.6 0.93769-19 13.8 0.97572-02 13.2 0.99277-07 9.3 0.978
Tabella: riassunto delleprincipali osservabili globali.
Polarizzazione: ϕ = 1N
∣∣∣∑Ni=1
~vi|~vi |
∣∣∣
Figura: le distribuzioni dei moduli dellevelocità e delle fluttuazioni sonocompatibili con una Γ-distribution.
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CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Caratterizzazione dinamica
Serie |~V | [m/s] ϕ16-05 15.2 0.96217-06 9.4 0.93521-06 11.8 0.97325-08 12.1 0.96225-10 12.5 0.99125-11 10.2 0.95928-10 11.1 0.98229-03 10.4 0.96331-01 6.8 0.84432-06 9.8 0.98142-03 10.4 0.97948-17 11.2 0.88649-05 13.9 0.99554-08 19.1 0.96657-03 14.1 0.97858-06 10.1 0.98463-05 9.9 0.97869-09 11.8 0.98569-10 11.9 0.98769-13 9.6 0.93769-19 13.8 0.97572-02 13.2 0.99277-07 9.3 0.978
Tabella: riassunto delleprincipali osservabili globali.
Polarizzazione: ϕ = 1N
∣∣∣∑Ni=1
~vi|~vi |
∣∣∣
Figura: le distribuzioni dei moduli dellevelocità e delle fluttuazioni sonocompatibili con una Γ-distribution.
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CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettiveSU
BMIT
TED M
ANUSC
RIPT
TO "P
LOS
BIOLO
GY"
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Conclusioni eprospettive
Indice
Comportamento collettivo animale
Il progetto STARFLAGEsperimentoRisultati storici
Analisi strutturaleGradienti di densitàCorrelazioni di densità
Campi di velocitàCaratterizzazione dinamicaCorrelazioni di velocità
Conclusioni e prospettive
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RISULTATI STORICI
AnalisistrutturaleGRADIENTI DIDENSITÀ
CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Conclusioni e prospettiveIl progetto STARFLAG ha permesso:
I di ricostruire posizioni tridimensionali e traiettorie di migliaia diuccelli in stormi in volo;
I di considerare adeguatamente gli effetti di bordo di unaggregato biologico compatto;
I di effettuare analisi strutturali e dinamiche con strumentiavanzati tipici della Fisica della Materia Condensata;
I di fornire dati quantitativi affidabili da confrontare con i modellie le simulazioni.
Quanto fatto è solo la punta di un iceberg:I l’apparato sperimentale e di ricostruzione può essere applicato
ad altre specie animali (pipistrelli, moscerini, pesci, . . . );I l’analisi della struttura richiede strumenti più raffinati che
possano evidenziare strutture angolari;I non sono ancora state studiate le correlazioni dinamiche delle
velocità;I è necessario approfondire i modelli per ricavare le
caratteristiche biologiche individuate.
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
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RISULTATI STORICI
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CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
Conclusioni e prospettiveIl progetto STARFLAG ha permesso:
I di ricostruire posizioni tridimensionali e traiettorie di migliaia diuccelli in stormi in volo;
I di considerare adeguatamente gli effetti di bordo di unaggregato biologico compatto;
I di effettuare analisi strutturali e dinamiche con strumentiavanzati tipici della Fisica della Materia Condensata;
I di fornire dati quantitativi affidabili da confrontare con i modellie le simulazioni.
Quanto fatto è solo la punta di un iceberg:I l’apparato sperimentale e di ricostruzione può essere applicato
ad altre specie animali (pipistrelli, moscerini, pesci, . . . );I l’analisi della struttura richiede strumenti più raffinati che
possano evidenziare strutture angolari;I non sono ancora state studiate le correlazioni dinamiche delle
velocità;I è necessario approfondire i modelli per ricavare le
caratteristiche biologiche individuate.
Funzioni di strutturae correlazioni di
velocitàin stormi di uccelli
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CORRELAZIONI DIDENSITÀ
Campi divelocitàCARATTERIZZAZIONEDINAMICA
CORRELAZIONI DIVELOCITÀ
Conclusioni eprospettive
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