La meilleure façon de nager comme les animaux aquatiques

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La meilleure façon de nager

En partant du principe que tous les animaux aquatiques doivent faire appel aux mêmes processus physiques pour avancer dans l’eau, des physiciens français et américains ont réussi à faire émerger une loi universelle de la nage.

À première vue, tout semble séparer une baleine bleue, le plus grand animal vivant sur la planète, avec ses 30 mètres de long et ses 170 tonnes, d’une minuscule larve de poisson mesurant quelques millimètres de long et pesant moins d’un gramme.
Pas si vite, répond une équipe de physiciens franco-américains. Ils ont montré qu’une même loi permet de décrire la façon dont pratiquement tous les animaux aquatiques nagent, du plus petit des poissons jusqu’aux baleines, en passant par les manchots et les crocodiles. En utilisant des arguments d’hydrodynamique simples, les chercheurs ont établi, pour un millier d’espèces différentes, que la vitesse des animaux nageurs était directement reliée à leur taille ainsi qu’à la fréquence et à l’amplitude des battements de leur queue. Parce qu’elle met en jeu une interaction complexe entre le corps du nageur et l’écoulement d’un fluide – l’eau – autour de celui-ci, la nage suscite depuis longtemps un vif intérêt chez les scientifiques. À la fin des années 1950, ces derniers ont mis en évidence, grâce à des observations, une loi empirique permettant de relier la vitesse de certains poissons – truites, poissons rouges – à leur taille et à la fréquence de battement de leur queue. Mais cette loi laissait de côté tous les autres nageurs, et son origine restait incomprise.
Depuis, les chercheurs ont tenté d’avancer sur la question. À grand renfort d’expériences et de simulations numériques, ils ont décrit dans les moindres détails la façon dont telle ou telle espèce se déplace sous l’eau. Dans leurs modèles de mécanique des fluides, ils se sont efforcés de tout prendre en compte : la forme des ailerons et des nageoires, la morphologie de l’animal, et enfin la partie du corps dont celui-ci se sert pour se propulser – certains spécimens comme le thon n’utilisent que leur queue alors que d’autres, comme l’anguille, font onduler tout leur corps.

CONTRAINTE DE L’ENVIRONNEMENT

Mais cette approche trop spécifique s’est révélée incapable de faire ressortir un principe général pour la nage. C’est pourquoi Médéric Argentina, de l’université de Nice Sophia Antipolis, et ses collègues Mattia Gazzola et Lakshminarayanan Mahadevan, de l’université de Harvard, ont décidé d’adopter un point de vue différent. «Nous avons volontairement mis de côté toutes les particularités liées à chaque espèce pour nous intéresser seulement à ce qu’ils ont en commun, confie Médéric Argentina. Et ce que tous les animaux nageurs partagent, c’est précisément le fait d’évoluer dans l’eau. Nous nous sommes donc dit que si une loi universelle existe, alors elle doit forcément résider dans les contraintes physiques imposées par cet environnement à tous ses habitants.»
L’idée des trois physiciens est donc simple : malgré leur différence de taille, de forme et d’allure de nage, tous les animaux font appel aux mêmes processus physiques pour avancer dans l’eau. Et en décrivant ces processus avec le minimum possible de paramètres, il sera possible de faire émerger une loi générale.
Tout d’abord, l’équipe a cherché à savoir de quels paramètres dépendait la force motrice produite par le nageur. «Pour se déplacer, l’animal prend appui sur l’eau, explique Médéric Argentina. Ce faisant, il pousse vers l’arrière un volume de liquide qui, en réaction, le propulse dans la direction opposée, vers l’avant. Sachant que ce volume d’eau est du même ordre de grandeur que celui du nageur et qu’il est mis en mouvement à une vitesse égale à celle de l’organe propulseur, cette vitesse augmentant avec la fréquence et l’amplitude des battements, on peut exprimer facilement la force de propulsion qui en résulte.»
Mais pour pouvoir aller de l’avant, le nageur doit vaincre la force de résistance que l’eau oppose à son mouvement, ce que les physiciens appellent la traînée. «Prenons un poisson immobile au départ, commente Fabien Candelier, de l’Institut universitaire des systèmes thermiques industriels, à Marseille. En battant de la queue, il accélère. Mais plus il avance vite, plus cela devient difficile d’accélérer davantage, du fait de la traînée qui va elle aussi en augmentant. Si bien qu’à un moment donné, celle-ci vient compenser exactement la force de propulsion générée par le poisson. Résultat : le poisson se déplace à vitesse constante.» C’est en suivant ce raisonnement que les chercheurs ont réussi à déterminer cette vitesse de croisière. Et à montrer qu’elle ne dépend que de la taille de l’animal et de la vitesse de battement de sa queue. Et ce, avec deux limites différentes. En effet, le groupe de physiciens s’est rendu compte que la traînée peut prendre deux formes. À faible vitesse – autrement dit pour de petits animaux –, ce sont les frottements exercés par l’eau sur la peau du nageur qui viennent contrecarrer son déplacement. Dans cette situation, la vitesse d’un nageur est alors proportionnelle au produit de la vitesse de la queue à l’exposant 4/3 divisé par la racine cubique de la taille de l’animal.
À vitesse élevée – c’est-à-dire pour les grands animaux –, les frottements existent toujours mais ils deviennent négligeables devant un autre phénomène : la pression imposée par le liquide à l’avant et sur les côtés du nageur. «En se déplaçant rapidement, l’animal voit arriver sur lui le liquide à grande vitesse qui est alors brusquement ralenti et exerce du même coup une forte pression sur le nageur», précise Médéric Argentina. Dans ce cas, la vitesse de nage est proportionnelle à la vitesse de la queue.
Restait encore à confronter ce modèle à la réalité. Pour cela, l’équipe a recueilli minutieusement les mesures issues d’observations réalisées durant ces cinquante dernières années sur plus de 1 000 espèces aquatiques. En plaçant toutes ces données sur un diagramme, ils ont alors observé avec succès que la vitesse de la quasi-totalité des animaux pouvait être prédite par l’une ou l’autre de ces deux lois. La première pour les plus petits d’entre eux : alevins et têtards. Et la seconde pour les plus grands : poissons, reptiles, manchots et mammifères marins.
Le constat a été le même lorsque les physiciens ont mené des simulations numériques pour confirmer leur découverte. «Dans nos modélisations, nous avons assimilé le nageur à une simple plaque à deux dimensions qui ondule, explique Médéric Argentina. En résolvant par ordinateur les équations de la mécanique des fluides qui gouvernent le déplacement de tels objets dans l’eau, nous avons retrouvé les mêmes proportionnalités.»

PERFORMANCE OPTIMALE

Ce résultat montre combien les lois de la physique – ici, celle des fluides en écoulement – peuvent imposer de fortes contraintes aux mécanismes biologiques, la locomotion aquatique dans ce cas. «En effet, note Éric Falcon, du laboratoire matière et systèmes complexes, à Paris, cette convergence des vitesses de nage, quelle que soit l’espèce, peut être interprétée comme la limite de performance optimale du nageur dictée par la physique de son environnement.» Sélectionnées au cours de l’évolution, la plupart des espèces ont ainsi fini par atteindre cet optimum. Avec toutefois quelques exceptions : certains animaux, comme les requins, ont réussi à dépasser légèrement cette limite en réduisant la traînée grâce à leur forme très élancée et à la structure de leur peau. D’autres en revanche, tels les lamantins, qui présentent une forme très peu effilée, se situent quelque peu sous cet optimum. Forts de ce constat, les trois physiciens souhaitent désormais étendre leur théorie à d’autres modes de locomotion. Tout comme la nage, le vol et la marche des animaux notamment doivent eux aussi être limités par une loi physique simple liée à leur environnement respectif. Qu’il reste encore à mettre au jour. Mais au-delà de son aspect purement fondamental, la découverte des chercheurs promet de faire progresser un domaine en plein essor : la robotique. Parmi tous les robots inspirés de la nature, ceux imitant la nage des poissons offrent d’énormes perspectives, depuis l’exploration d’épaves sous la mer jusqu’à la recherche de vie extraterrestre dans les océans d’une autre planète du système solaire. Toutefois, les créatures vivantes restent de bien meilleurs identifier grâce à cette loi d’échelle le meilleur rapport possible entre la taille de ce dernier, la fréquence et l’amplitude de battement de sa queue, pour atteindre cet objectif. » À l’inverse, en mesurant la vitesse effectivement atteinte par leur robot, les ingénieurs sauront immédiatement si celui-ci est efficace. Et pourront corriger le tir si nécessaire en modifiant la forme de leur engin par exemple. La nage des poissons n’a pas fini d’inspirer les scientifiques.

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Ayoub Belkadi
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