Un dauphin ou un poisson fend les flots vite et sans efforts apparents. L'évolution a équipé les animaux aquatiques de moyens variés pour contrôler l'écoulement ambiant et celui qu'ils créent en se propulsant. Ces étonnantes capacités des animaux nageurs intriguent les scientifiques et inspirent les ingénieurs. Il y a encore 20 ans, on se contentait de penser l'écoulement autour d'un animal qui nage plutôt que de tenter de le visualiser. À cette époque, il fallait simplifier les modèles, et les représentations de l'interaction de l'animal avec l'écoulement reposaient sur quelques formes profilées et autres ailes artificielles aux surfaces ondulées ou lisses. Cependant, les nageurs réels présentent des formes variées et plus ou moins complexes, ce qui signifie que leurs mouvements influencent la dynamique de l'écoulement de façons qui n'avaient pas été envisagées jusqu'alors.
C'est pourquoi les biologistes se sont mis à étudier la nage des animaux en utilisant les mêmes techniques que celles développées par les ingénieurs pour visualiser les écoulements. Afin d'étudier ces étonnantes capacités des animaux nageurs et d'essayer de les transposer à des systèmes artificiels, des collaborations entre physiciens et ingénieurs se sont avérées essentielles. Parmi les méthodes d'investigation modernes, la vélocimétrie par images de particules est très utilisée. Elle consiste à mêler à l'écoulement de nombreuses petites particules réfléchissantes, éclairées dans un plan par un feuillet de lumière laser. En exploitant par ordinateur les images, enregistrées par des caméras rapides, les chercheurs peuvent reconstituer les vitesses et directions de l'écoulement dans une région bi- ou tridimensionnelle autour de l'animal. Ces techniques élaborées de visualisation des écoulements, fournies par l'ingénierie, permettent de dévoiler les astuces par lesquelles les animaux aquatiques tirent profit de leur environnement liquide.
Les Principes Fondamentaux de la Propulsion et de la Résistance à l'Eau
Tous les animaux nageurs, qu'il s'agisse de méduses, de poissons ou de cétacés, se propulsent en créant une poussée. Cette poussée est une force motrice qui leur permet d'avancer dans le fluide. Cependant, à cette poussée s'oppose une traînée, c'est-à-dire une résistance qu'oppose le fluide au mouvement de l'animal. Dans des conditions de nage où la vitesse est constante, la poussée et la traînée s'équilibrent. Pour nager vite ou pour diminuer son effort, un animal doit tendre à réduire la traînée et à augmenter la poussée. La traînée elle-même est le résultat de deux composantes principales : la traînée de frottement et la traînée de forme.
La Traînée de Frottement et le Rôle Crucial de la Couche Limite
La traînée de frottement est produite par le frottement de l'eau sur le corps de l'animal. Cette force résulte de la friction entre la peau et la couche limite, qui est la toute première couche de fluide proche de l'animal en mouvement. Au sein de cette couche limite, le comportement du fluide est dominé par sa résistance au glissement, c'est-à-dire par sa viscosité. Pour mieux comprendre ce phénomène, on peut imaginer que la couche limite est un empilement de feuillets. Ces feuillets glissent d'autant plus les uns sur les autres qu'ils sont éloignés de la surface de l'animal, à la manière des cartes d'une pile que l'on pousse par la tranche, où celles qui sont plus éloignées de la table glissent davantage, tandis que la première reste immobile. Ce type de déformation du fluide, nommé cisaillement, est directement dû au mouvement relatif de l'animal et du milieu dans lequel il se déplace.
Les animaux aquatiques ont développé des adaptations remarquables pour réduire cette traînée de frottement. Par exemple, le mucus présent sur le corps des poissons a pour effet de réduire la traînée due au frottement. Ce mucus est constitué d'un mélange complexe de lipides et de protéines, dont beaucoup forment de longues chaînes de molécules. Certaines de ces molécules sont tensio-actives, ce qui signifie qu'elles réduisent la tension superficielle du fluide. Ce mécanisme n'est pas sans rappeler des découvertes en ingénierie : depuis la fin des années 1940, les ingénieurs navals ont établi que l'ajout à l'écoulement de solutions diluées de polymères à longues chaînes réduit efficacement la traînée de frottement. De même, le mucus enrobant le corps des poissons réduit la viscosité du fluide dans la couche limite, optimisant ainsi leur glisse dans l'eau. Par ailleurs, les contraintes de cisaillement au sein du fluide peuvent perturber le phytoplancton, qui réagit en émettant de la lumière, un phénomène fascinant qui illustre l'interaction complexe entre les organismes et leur environnement hydrodynamique.
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La Traînée de Forme et l'Importance des Profils Hydrodynamiques
L'autre type de traînée, la traînée de forme, découle de la chute de pression entre l'avant et l'arrière du corps de l'animal. Son origine se comprend aisément à l'aide du principe de Bernoulli. Publiée en 1738 par le Suisse Daniel Bernoulli, cette loi de l'hydrodynamique stipule que la pression et le carré de la vitesse varient en sens inverses l'une de l'autre : quand l'une augmente, l'autre diminue et vice-versa. Lorsque le fluide doit longer le corps de l'animal, il accélère, et sa pression diminue jusqu'à ce qu'il atteigne l'arrière du corps. Plus le sillage créé par l'animal est large, plus la traînée de forme est importante.
Les sillages larges résultent d'une forte interaction des variations de pression avec la couche limite. Lorsque la couche limite a une énergie cinétique insuffisante, les changements de pression peuvent entraîner son décollement de la surface du corps. Là où cela se produit, des tourbillons se forment et élargissent le sillage, augmentant ainsi la traînée. La nature a cependant optimisé les formes des nageurs pour minimiser ces effets. Si la forme des poissons, des cétacés ou même des sous-marins conçus par l'homme est celle d'une larme étirée, ce n'est pas un hasard. Ce type de profil, sélectionné au fil de l'évolution, confère le minimum de traînée pour un volume donné. Il minimise les différences de pression et facilite donc l'adhérence de la couche limite, ce qui maintient un sillage étroit et réduit la résistance. Des images réalisées sur des dauphins par Jim Rohr et Michael Latz, du Spawar (Space and Naval Warfare Systems Center) à San Diego aux États-Unis, illustrent parfaitement ces principes hydrodynamiques en action.
Quand les Surfaces Rugueuses Deviennent un Avantage : Le Cas de la Peau de Requin
Au vu de ce qui précède, on pourrait croire qu'une peau parfaitement lisse serait toujours la meilleure solution pour réduire la traînée. Pourtant, le contraire peut aussi être vrai, comme l'atteste la peau rugueuse des requins. La question se pose : pourquoi une telle rugosité ? À priori, les aspérités d'une surface microstructurée créent de la turbulence, ce qui devrait logiquement augmenter la traînée de frottement. Toutefois, il a été démontré que ces microtourbillons ont aussi pour effet de communiquer de l'énergie cinétique à la couche limite. Ce même phénomène explique pourquoi les balles de golf présentent des alvéoles : la turbulence qu'elles engendrent près de la surface a pour effet de retarder le décollement de la couche limite, ce qui atténue leur sillage et améliore leur portée.
Les poissons présentent à leur surface toute une variété de structures complexes qui pourraient agir de façon similaire aux alvéoles des balles de golf. Par exemple, le rostre de l'espadon (Xiphias gladius) est couvert de petits creux et bosses susceptibles d'engendrer de la turbulence dans la couche limite. Pour sa part, la structure remarquable de la peau des requins (des « poissons » cartilagineux) est étudiée depuis de nombreuses années. La plupart de ces denticules ont trois crêtes, suffisamment saillantes pour atteindre la couche limite et se terminant par trois pointes dirigées vers l'arrière. La structure exacte des denticules varie selon l'espèce de requin et la région du corps considérées, ce qui suggère une optimisation spécifique à chaque cas.
Pour éclaircir la fonction hydrodynamique de ces structures, l'étude en laboratoire d'un requin vivant n'étant pas facile, un chercheur (G. Lauder) a conçu de petits robots imitant les mouvements de nage d'un tel animal. Pour l'essentiel, il s'agit d'un plan flexible imitant la queue qui ondule dans l'écoulement. Placé dans un bassin d'essai à recirculation, ce dispositif permet de mesurer les écoulements qui s'établissent sur des échantillons flexibles de peau munie ou non de denticules, dans des conditions proches de celles de la nage réelle. Cette approche a révélé que la présence de denticules augmente notablement (de plus de 10 %) la vitesse de nage. Le gain de vitesse observé résulte d'abord d'une diminution de la traînée due, pense-t-on, à la turbulence créée dans la couche limite par les denticules. En visualisant l'écoulement autour de nos membranes flexibles de peau de requin, les chercheurs ont découvert la présence de ce que l'on nomme un vortex de bord d'attaque, un tourbillon créé par la pénétration du bord avant du robot dans le fluide. La région de basse pression que représente ce vortex crée une aspiration sur la peau, c'est-à-dire une force qui lui est perpendiculaire. Lorsque la peau se courbe vers l'avant, par exemple sous l'influence des battements de la queue, cette force développe une composante parallèle à l'axe du poisson et dirigée vers l'avant. Cette composante contribue donc à la poussée. Ce phénomène, qui concerne la région de la queue, pourrait jouer aussi partout où se produit un décollement de la couche limite, par exemple près des nageoires dorsale ou anale, offrant ainsi un mécanisme de propulsion supplémentaire.
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Les Mécanismes de Propulsion : De la Maîtrise des Tourbillons à l'Optimisation Énergétique
Pour avancer dans l'eau, les animaux nageurs doivent accélérer vers l'arrière une masse de fluide. Ils y parviennent en exploitant les mouvements de leur corps et ceux de leurs nageoires et ailerons. Une fois créés, les écoulements correspondants prennent souvent la forme d'anneaux tourbillonnaires traversés par un jet central, une conformation que l'on retrouve de manière similaire dans les anneaux de fumée créés dans l'air par les fumeurs. Des chercheurs comme John Dabiri, de l'Institut de technologie de Californie, et Ian Bartol, de l'Université Old Dominion en Virginie, ont injecté des colorants pour visualiser les éjections pulsatiles d'eau par lesquelles les méduses, les calmars ou les pieuvres se propulsent, mettant en évidence ces structures tourbillonnaires.
De même, on constate que le tortillement d'un poisson quand il nage produit une bonne partie de la rotation fluide - ce que l'on nomme la vorticité - observée dans son sillage. Par son mouvement, la nageoire caudale crée un anneau tourbillonnaire se propageant en biais par rapport à l'axe du poisson. Aussitôt que cet anneau s'éloigne vers l'arrière, un nouvel anneau tourbillonnaire est formé par le battement suivant de la nageoire caudale. Ces deux anneaux successifs se touchent, et les ondulations de la nageoire caudale organisent ainsi le sillage en une séquence d'anneaux tourbillonnaires se recouvrant partiellement et disposés en quinconce. Ce schéma complexe maximise l'efficacité de la propulsion.
Cependant, la répartition des vortex peut varier considérablement selon les espèces. Par exemple, lorsque la vélocimétrie par images de particules a été employée pour visualiser le sillage créé par de jeunes alligators, une toute autre répartition des vortex est apparue. Les alligators nagent en ondulant latéralement, comme si leur corps était animé de vagues dont l'amplitude augmente à mesure qu'on se rapproche de la queue. On constate qu'à chaque demi-battement de queue, des paires d'anneaux tourbillonnaires contrarotatifs sont émises en biais vers l'arrière. Ces anneaux tourbillonnaires s'allongent à mesure que le fluide est entraîné par le mouvement de fouet de la queue. Pour une bonne propulsion et une efficacité énergétique optimale, la répartition et la périodicité des tourbillons de sillage doivent être contrôlées avec précision.
La production d'un écoulement de jet efficace dans le sillage d'un poisson est possible pour un petit intervalle de valeurs du « nombre de Strouhal ». Ce nombre sans dimension (sans unité) a été défini pour décrire les écoulements oscillants, comme l'émission périodique de tourbillons de sillage par un poisson. L'efficacité énergétique maximale, c'est-à-dire la capacité à se déplacer avec le moins d'effort possible, correspond à un nombre de Strouhal compris entre 0,2 et 0,4. Il est intéressant de noter que les alligators, en revanche, présentent des nombres de Strouhal supérieurs aux valeurs optimales, ce qui peut indiquer une stratégie de nage différente, potentiellement moins axée sur l'efficacité à long terme que sur la puissance ou la maniabilité.
La diversité des techniques de nage est également remarquable en ce qui concerne l'utilisation des nageoires. L'étude de la nage du crapet arlequin (Lepomis macrochirus) montre que ce poisson utilise des combinaisons différentes de nageoires selon l'allure adoptée. Le changement d'allure reflète des contraintes sur la poussée produite par les nageoires pectorales. Ces dernières émettent des paires d'anneaux tourbillonnaires associés à un jet central orienté latéralement. Cela favorise le contrôle et la stabilité de la nage aux petites vitesses. Plus la vitesse augmente, plus les jets latéraux s'écartent du corps, ce qui accroît la stabilité mais limite la poussée. Au contraire du crapet arlequin, les Embiotocidés, des poissons perciformes typiques de la côte Nord-Ouest de l'Amérique du Nord, sont capables d'utiliser leurs nageoires pectorales sur une large gamme de vitesses sans avoir recours à d'autres nageoires, démontrant une adaptation spécialisée.
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Plus généralement, la nage est presque toujours obtenue à l'aide de palettes natatoires. Celles-ci agissent soit comme des rames, à l'instar des pattes nageuses du crabe étrille et de la grenouille, des pattes palmées du canard, des pattes postérieures des dytiques, ou encore des nageoires des tortues marines et des phoques. Alternativement, elles peuvent fonctionner comme des godilles ou des hélices, en se vissant dans l'eau en sens alterné, une technique observée avec la nageoire caudale des poissons et des baleines. Lorsqu'il n'y a aucun organe spécial, le corps, qu'il soit allongé ou aplati, progresse par ondulation, comme c'est le cas pour les serpents, l'anguille, la lamproie ou la raie. Enfin, certains crustacés, tels que l'écrevisse, le homard et la langouste, nagent vers l'arrière par un rabattement de leur palette caudale sous l'abdomen, illustrant une grande variété de stratégies propulsives.
La Vitesse dans les Océans : Les Champions de la Nage
Si le guépard demeure l’animal le plus rapide de la planète avec sa vitesse de pointe de 120 km/h sur terre, le monde aquatique abrite également des champions de vitesse capables de rivaliser. Alors que le poisson rouge se contente d'un record de vitesse de 5 km/h, il existe des espèces marines qui surpassent de loin cette performance, comme l'espadon voilier ou le dauphin. Certains des plus gros animaux marins, comme l’orque et la baleine bleue, sont également des nageurs impressionnants, prouvant que la taille n'est pas toujours un frein à la rapidité.
Parmi les nageurs les plus rapides des océans, l’Espadon Voilier (Istiophorus platypterus) est un spécimen remarquable, capable de nager à des vitesses allant jusqu’à 110 km/h en de courtes accélérations. Reconnaissable par son long rostre distinctif, il est un prédateur agile qui chasse principalement les bancs de poissons. Le Thazard (Scomberomorus spp.), également connu sous le nom de thon à dents de chien, peut atteindre une vitesse impressionnante de plus de 70 km/h. Sa forme hydrodynamique et sa musculature puissante lui permettent de couvrir de longues distances lors de ses migrations. Le Marlin Bleu (Makaira nigricans) atteint des vitesses de près de 80 km/h, célèbre pour ses performances acrobatiques lorsqu’il chasse, caractérisé par sa nageoire dorsale distincte et sa capacité à sauter hors de l’eau. Le Thon Rouge (Thunnus thynnus), un prédateur puissant des océans, peut nager à une vitesse d'environ 70 km/h. Sa musculature exceptionnelle lui permet de se déplacer rapidement et d’effectuer des migrations sur de longues distances.
Les mammifères marins comptent également des sprinters. Les Orques (Orcinus orca) figurent parmi les mammifères marins les plus rapides, atteignant des vitesses de nage d'environ 56 km/h. Ces prédateurs intelligents et sociaux sont capables de chasser efficacement grâce à leur vitesse et à leur coordination en groupe. Les Grands Dauphins (Tursiops truncatus) peuvent nager à des vitesses allant jusqu’à 40 km/h. Ces dauphins sociaux et intelligents sont connus pour leurs sauts hors de l’eau et leur capacité à nager rapidement en groupe. Le Requin Bleu (Prionace glauca) peut atteindre des vitesses de jusqu’à 38 km/h, son corps hydrodynamique et sa coloration bleue métallique en faisant un prédateur redoutable dans les océans. Malgré sa taille massive, la Baleine Bleue (Balaenoptera musculus), le plus grand animal sur Terre, peut nager à des vitesses d’environ 50 km/h lorsqu’elle est active, démontrant une remarquable agilité pour sa stature. Le Poisson Volant (Exocoetidae) présente une particularité en atteignant des vitesses de vol impressionnantes pouvant aller jusqu’à 70 km/h au-dessus de l’eau, utilisant ses nageoires pectorales pour planer au-dessus de la surface et échapper à ses prédateurs. Enfin, le Tarpon (Megalops atlanticus) est un poisson puissant capable de nager à des vitesses allant jusqu’à 50 km/h, illustrant la diversité des adaptations pour la vitesse dans l'environnement marin.
La Nage sur le Dos : Une Stratégie Unique du Phoque du Groenland
Certaines observations mettent en lumière des comportements de nage particulièrement uniques. Dans une vidéo captée par drones par les chercheurs de la Station de recherche des îles Mingan (MICS), des dizaines de petites silhouettes blanches se détachent sur le fond bleu de la mer. En portant attention, on remarque pourtant que ces individus semblent plus rapides et actifs que les bélugas. C’est parce qu’il s’agit de phoques du Groenland, qui nagent sur le dos, révélant ainsi la blancheur de leur ventre. Si l'on observe à l’occasion d’autres espèces de phoques effectuer des rotations ou flotter sur leur dos, seul le phoque du Groenland adopterait cette position de façon récurrente.
La question se pose de savoir si cette position sert un but précis. Selon Mike Hammill, chercheur chez Pêches et Océans Canada et spécialiste des phoques, ce qui est certain, c’est que la nage sur le dos lui donne un meilleur point de vue sur ce qui se passe en dessous d’eux. Dans cette position, le phoque du Groenland immerge complètement sa tête. Et voir dans un monde marin sombre et opaque n’est pas un problème pour lui, puisqu’il possède une vision adaptée à ce milieu. Sous l’eau, ses pupilles se dilatent au maximum afin de capter le plus de lumière possible. Ses yeux sont aussi munis de photorécepteurs sensibles aux pigments noirs, blancs ou gris, plus présents sous l’eau. De ce fait, il voit probablement beaucoup mieux dans la mer que sur la terre.
Ce comportement de surveillance varie également en fonction de la saison. En hiver, de la fin février à la mi-mars, le phoque du Groenland est en période de reproduction dans le Saint-Laurent. Comme plusieurs autres espèces de phoques, il s’accouple dans l’eau. Il est donc particulièrement vulnérable et doit rester à l’affut de toute activité qui pourrait lui nuire, comme le dérangement ou les menaces, ou bien l’avantager, comme la recherche de nourriture. L’été, le phoque du Groenland rejoint les eaux de l’Arctique canadien ou du Groenland. Dans ces territoires, la surveillance du monde marin est encore plus de mise que dans le Saint-Laurent en raison de certains prédateurs qui y rôdent : l’épaulard, le requin ou même le morse selon les endroits. Mike Hammill estime que la plupart de ces prédateurs pourraient surgir des profondeurs, donc surveiller ce qu’il y a en dessous est plus important que surveiller ce qui se passe au-dessus. Il faudra étudier plus en profondeur ce comportement afin de comprendre ce qui pousse le phoque du Groenland à surveiller les fonds marins, ou comment cette position affecte sa nage. Certainement, cette particularité rend le phoque plus facile à distinguer des autres espèces de pinnipèdes qui fréquentent l’estuaire du Saint-Laurent.