{"id":6609,"date":"2014-05-12T03:10:19","date_gmt":"2014-05-12T01:10:19","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=6609"},"modified":"2014-05-12T03:10:19","modified_gmt":"2014-05-12T01:10:19","slug":"comment-les-insectes-font-ils-pour-voler","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2014\/05\/12\/comment-les-insectes-font-ils-pour-voler\/","title":{"rendered":"Comment les insectes font-ils pour voler ?"},"content":{"rendered":"

\"libellule\"<\/a>Quand on parle du d\u00e9veloppement de l’a\u00e9ronautique, on \u00e9voque g\u00e9n\u00e9ralement le fait que \u00ab\u00a0de tout temps les hommes\u00a0\u00bb<\/em> ont toujours \u00e9t\u00e9 fascin\u00e9s par la capacit\u00e9 des oiseaux \u00e0 voler. Mais c’est oublier que les insectes avaient invent\u00e9 le vol longtemps avant les oiseaux !<\/p>\n

Bien que le spectacle soit moins majestueux, il faut reconnaitre que les insectes sont encore plus forts que les oiseaux<\/strong>, j’en veux pour preuve la difficult\u00e9 qu’il y a \u00e0 attraper des mouches ou \u00e0 \u00e9craser des moustiques.<\/p>\n

Et pourtant si on s’en r\u00e9f\u00e8re aux lois classiques de l’a\u00e9rodynamique, les insectes ne devraient pas pouvoir voler ! S’ils y arrivent quand m\u00eame, c’est que leur vol se base sur des principes physiques assez diff\u00e9rents de ceux qui gouvernent un Airbus ou un corbeau.<\/p>\n

Le vol des insectes<\/h3>\n

A bien des \u00e9gards, les insectes peuvent \u00eatre vus comme les vrais ma\u00eetres de la plan\u00e8te. Il en existerait quelques millions d’esp\u00e8ces, et on compterait sur Terre pas loin de \\(10^{19}\\) insectes, soit un milliard d’insectes pour chaque \u00eatre humain (imaginez les dans votre lit) [1].<\/p>\n

Leur capacit\u00e9 \u00e0 voler n’est certainement pas \u00e9trang\u00e8re \u00e0 ce formidable succ\u00e8s \u00e9volutif : le vol permet aux insectes de se diss\u00e9miner bien s\u00fbr, mais aussi de trouver de la nourriture, de se d\u00e9fendre, et m\u00eame de communiquer ou de se faire la cour.<\/p>\n

On oublie d’ailleurs souvent que les insectes furent les premiers animaux \u00e0 savoir voler, il y a environ 350 millions d’ann\u00e9es. Apr\u00e8s eux, seuls trois autres groupes – les pt\u00e9rosaures, les chauves-souris et les oiseaux – y sont parvenu de mani\u00e8re ind\u00e9pendante. Mais aucun ne ma\u00eetrise le vol aussi bien que les insectes, qui sont capables de prouesses comme de soulever l’\u00e9quivalent de leur poids, ou de r\u00e9aliser des vols stationnaires<\/strong> impeccables, ce dont sont incapables les oiseaux.<\/p>\n

Mais ce qu’il y a de plus surprenant dans l’affaire, c’est qu’en th\u00e9orie, les insectes ne devraient pas arriver \u00e0 voler ! Si on leur applique les lois qui expliquent le vol des oiseaux ou des avions, on trouve qu’ils ne devraient m\u00eame pas pouvoir se maintenir en l’air. Pour comprendre le vol des insectes, il faut faire appel \u00e0 des principes nouveaux, diff\u00e9rents de ceux que l’on utilise en a\u00e9ronautique classique.<\/p>\n

Comment un avion vole-t-il ?<\/h3>\n

Avant de passer au cas compliqu\u00e9 de l’insecte, revoyons l’explication habituellement donn\u00e9e pour expliquer la mani\u00e8re dont volent les avions.<\/p>\n

\"portanceQuand une aile d’avion se d\u00e9place, le flux d’air qu’elle traverse se trouve s\u00e9par\u00e9 en deux composantes, et l’air circulant au-dessus de l’aile poss\u00e8de une vitesse plus \u00e9lev\u00e9e que celui circulant en-dessous. Ceci cr\u00e9e une d\u00e9pression<\/strong>, qui provoque sur l’aile une force, dont la composante dirig\u00e9e verticalement est appel\u00e9e la portance<\/strong>. C’est la portance qui permet \u00e0 l’avion de rester en l’air et de s’opposer \u00e0 la gravit\u00e9.<\/p>\n

Un param\u00e8tre important dans le vol des avions est ce qu’on appelle l’angle d’attaque <\/strong>(voir ci-dessus). G\u00e9n\u00e9ralement, plus l’angle d’attaque est \u00e9lev\u00e9, plus la portance sera importante. En jouant avec l’orientation de l’avion on peut augmenter l’angle d’attaque et donc la portance. Mais il y a une limite ! Avec les formes d’ailes usuelles, quand l’angle d’attaque atteint environ 15\u00b0, l’air commence \u00e0 ne plus s’\u00e9couler correctement autour de l’aile, des turbulences se forment et la portance dispara\u00eet : on dit que l’avion d\u00e9croche<\/strong>.<\/p>\n

\"Cygnus_buccinator_-Riverlands_Migratory_Bird_Sanctuary,_Missouri,_USA_-flying-8\"<\/a>Passons maintenant aux oiseaux. Cela peut vous surprendre au premier abord, mais ils fonctionnent selon le m\u00eame principe ! Je vous vois venir d’ici, vous allez me dire \u00ab\u00a0Oui mais l’oiseau il bat des ailes, patate !\u00a0\u00bb<\/em>. Bien s\u00fbr, mais les lois physiques en jeu sont les m\u00eames.<\/p>\n

La th\u00e9orie a\u00e9rodynamique classique s’applique \u00e0 une aile plac\u00e9e dans un fluide en mouvement autour d’elle. Dans le cas de l’avion, le mouvement est simple (une translation), et dans le cas des ailes de l’oiseau il est plus compliqu\u00e9. Mais si vous d\u00e9composez le mouvement des ailes d’un oiseau, \u00e0 chaque instant vous pouvez calculer la vitesse de l’air et l’angle d’attaque, et d\u00e9duire la portance obtenue<\/strong> comme pour un avion.<\/p>\n

Si vous n’\u00eates pas convaincus de la similarit\u00e9 entre les oiseaux et les avions, pensez que pour un h\u00e9licopt\u00e8re on peut faire exactement le m\u00eame calcul : les pales sont aussi des ailes mises en mouvement par rapport \u00e0 l’air (avec un mouvement encore diff\u00e9rent), et qui engendrent une portance que l’on peut calculer selon les m\u00eames lois.<\/p>\n

Pourquoi (en th\u00e9orie) les insectes ne peuvent pas voler<\/h3>\n

Pour voir si la th\u00e9orie classique s’applique aussi aux insectes, on peut examiner le mouvement de leurs ailes et calculer la portance que l’on obtient, de la m\u00eame mani\u00e8re qu’on le ferait pour un oiseau. Premi\u00e8re chose surprenante, les insectes poss\u00e8dent souvent 4 ailes, et les battent g\u00e9n\u00e9ralement d’avant en arri\u00e8re<\/strong> et pas de haut en bas. A chaque extr\u00e9mit\u00e9 de la trajectoire, ils effectuent une rotation de leurs ailes, comme le montre le petit sch\u00e9ma ci-dessous :<\/p>\n

\"vol<\/a><\/p>\n

Ensuite il y a une chose qui devrait vous frapper sur ce sch\u00e9ma : l’angle d’attaque. Chez les insectes, il est typiquement de 25 \u00e0 45\u00b0. Comme je vous le disais plus haut, des angles d’attaque aussi \u00e9lev\u00e9s sont totalement incompatibles avec le vol classique<\/strong> : ils engendrent des turbulences qui d\u00e9truisent la portance et provoquent le d\u00e9crochage. Conclusion : vu comme ils s’y prennent, les insectes ne devraient pas arriver \u00e0 voler<\/strong>. Et pourtant\u2026ils y arrivent ! Il y a donc quelque chose \u00e0 comprendre.<\/p>\n

Les esprits chagrins pourront se demander quel int\u00e9r\u00eat il y a \u00e0 \u00e9tudier le vol des mouches et autres libellules. Et pourtant c’est une \u00e9nigme fascinante ! L’homme a mis des mill\u00e9naires \u00e0 pouvoir cr\u00e9er de la portance \u00e0 la mani\u00e8re des oiseaux, et voici que l’on d\u00e9couvre qu’il existerait une autre fa\u00e7on de le faire !<\/p>\n

Pour mieux comprendre le vol des insectes, les scientifiques ont eu recours \u00e0 tout un tas de techniques : observer des mouches attach\u00e9es par un fil, utiliser des cam\u00e9ras rapides, placer des ailes d’insectes dans des mini-souffleries, etc. Mais l’une des m\u00e9thodes les plus efficaces a \u00e9t\u00e9 de faire des maquettes d’insectes \u00e0 grande \u00e9chelle<\/strong>.<\/p>\n

Comment faire une maquette d’insecte ?<\/h3>\n

Gr\u00e2ce aux microscopes et aux cam\u00e9ras rapides, il est assez facile d’observer un insecte pour recr\u00e9er un mod\u00e8le de grande taille, qui reproduit pr\u00e9cis\u00e9ment son anatomie et les mouvements de ses ailes. Mais pour comprendre les ph\u00e9nom\u00e8nes a\u00e9rodynamiques en jeu, cela ne suffit pas. Et la raison s’appelle le nombre de Reynolds<\/strong>.<\/p>\n

J’ai d\u00e9j\u00e0 eu l’occasion d’\u00e9crire un billet sur le nombre de Reynolds<\/a>, mais j’en rappelle ici les grandes lignes. Quand un fluide s’\u00e9coule, il peut le faire de mani\u00e8re calme et ordonn\u00e9e (comme de l’huile sortant du goulot d’une bouteille), ou de mani\u00e8re turbulente, comme l’eau d’un fleuve autour des piles d’un pont. Pour savoir dans laquelle des deux situations on se trouve, on peut calculer le nombre de Reynolds, qui est obtenu selon la formule<\/p>\n

\"nombre<\/a><\/p>\n

Plus le nombre de Reynolds est \u00e9lev\u00e9, plus l’\u00e9coulement est turbulent<\/strong>. Pour un avion, il est de l’ordre de quelques millions, alors que pour un insecte il sera plut\u00f4t autour de 1000. Du point de vue de la m\u00e9canique des fluides, ce sont deux situations tr\u00e8s diff\u00e9rentes ! Morale de l’histoire : si vous voulez comprendre l’a\u00e9rodynamique des insectes en faisant une maquette, il faut que celle-ci poss\u00e8de le m\u00eame nombre de Reynolds que l’insecte de d\u00e9part<\/strong>.<\/p>\n

\"robofly\"<\/a>Observez la formule : si votre maquette est beaucoup plus grosse que l’insecte, il faut diminuer la vitesse et\/ou augmenter la viscosit\u00e9 pour que l’exp\u00e9rience soit repr\u00e9sentative<\/strong>. C’est ainsi que l’\u00e9quipe de Michael Dickinson \u00e0 Berkeley a cr\u00e9\u00e9 Robofly<\/strong> : une maquette de 60 cm d’envergure (ci-contre), mais battant des ailes bien tr\u00e8s lentement – toutes les 5 secondes – et baignant dans de l’huile tr\u00e8s visqueuse [2]. C’est gr\u00e2ce \u00e0 la r\u00e9duction de la vitesse des ailes et l’augmentation de la viscosit\u00e9 du fluide qu’ils ont pu produire une maquette repr\u00e9sentative du vol des insectes (c’est-\u00e0-dire \u00e0 nombre de Reynolds comparable), et comprendre ainsi les ph\u00e9nom\u00e8nes en jeu.<\/p>\n

Le secret des effets transitoires<\/h3>\n

Gr\u00e2ce aux mod\u00e8les r\u00e9duits comme Robofly, les chercheurs ont pu lever une partie du myst\u00e8re qui entoure le vol des insectes. Le premier de ces effets s’appelle le d\u00e9crochage retard\u00e9<\/strong>. Je vous l’ai dit, avec des angles d’attaque de 25 \u00e0 45\u00b0, les ailes des insectes devraient provoquer un d\u00e9crochage. Mais ce qu’ont constat\u00e9 les chercheurs, c’est que pour les insectes, ce d\u00e9crochage n’a pas le temps de se produire compl\u00e8tement, et c’est m\u00eame lui qui les aide \u00e0 obtenir leur portance.<\/p>\n

Il s’agit en fait d’un ph\u00e9nom\u00e8ne qui \u00e9tait apparemment connu pour les avions depuis les ann\u00e9es 30. Quand un d\u00e9crochage se produit, un tourbillon se forme au bord de l’aile et tr\u00e8s rapidement se d\u00e9tache, provoquant la perte de portance. Mais pendant un court instant, l’air mis en mouvement rapide par le tourbillon provoque une d\u00e9pression transitoire qui fournit un petit bonus de portance<\/strong>.<\/p>\n

Pour un avion, il est impossible d’exploiter ce ph\u00e9nom\u00e8ne car il est trop rapide, mais \u00e0 l’\u00e9chelle de l’insecte, cela fonctionne gr\u00e2ce \u00e0 la fr\u00e9quence de battement de ses ailes. En gros en se mettant en permanence en situation de d\u00e9crochage, l’insecte arriver \u00e0 collecter tous ces petits bonus de portance, ce qui lui permet de se maintenir en l’air.<\/p>\n

Depuis, d’autres ph\u00e9nom\u00e8nes transitoires de m\u00eame type ont \u00e9t\u00e9 mis en \u00e9vidence, et ils concernent le r\u00f4le de la rotation des ailes (qui fournit aussi de la portance) et du mouvement d’aller-retour qui permettrait \u00e0 l’insecte de recycler ses propres turbulences pour l’aider \u00e0 se maintenir [2].<\/p>\n

Gr\u00e2ce \u00e0 la d\u00e9couverte de ces principes, il est maintenant possible de r\u00e9aliser des robots miniatures dont le fonctionnement se rapproche de plus en plus de celui de nos amis les insectes [3]. On peut facilement imaginer les applications de ce genre de technologie en mati\u00e8re de sauvetage, d’exploration mais aussi bien s\u00fbr de surveillance plus ou moins discr\u00e8te…<\/p>\n

Billets reli\u00e9s, ici ou ailleurs…<\/h4>\n