Nous savons enfin comment les poissons nagent si vite

Lorsqu'il s'agit de nager, les poissons font preuve d'une grâce et d'une puissance sans effort dont les humains ne peuvent que rêver. Alors que les poissons les plus rapides nagent jusqu'à 70 miles par heure, aucun humain n'a jamais réussi à atteindre même 4 mph dans l'eau. Même les sous-marins les plus rapides ont une vitesse de pointe de seulement 50 mph.

La façon exacte dont les poissons gèrent cet exploit est quelque chose de mystérieux. Physiciens, biologistes et ingénieurs se sont longtemps interrogés sur le mouvement ondulatoire caractéristique et les forces hydrodynamiques qu'il génère. En effet, ils ont deux théories de la propulsion hydrodynamique pour l'expliquer, bien qu'elles datent des années 50 et 60. Mais personne n'a déterminé ce qui est correct.

Aujourd'hui, cela change grâce aux travaux de Tingyu Ming du Centre de recherche en sciences computationnelles de Pékin en Chine et de divers collègues. Ces gars ont modélisé la propulsion des poissons sur un superordinateur et calibré les résultats en utilisant des mesures détaillées du mouvement de vrais poissons. Leur modèle explique pour la première fois comment les poissons génèrent la poussée et même pourquoi certaines structures anatomiques, comme les tendons, sont si importantes.

Tout d'abord un peu de contexte. Dans le mouvement de nage ondulatoire caractéristique des poissons, les muscles se contractent séquentiellement le long du corps pour générer une vague de flexion du corps vers l'arrière. Cela pousse contre l'eau et produit une poussée.

Mais exactement comment cette poussée se produit est quelque chose d'un casse-tête. En 1952, le physicien britannique Geoffrey Taylor a étudié l'interaction de chaque segment du corps d'un poisson avec l'eau. Son idée était que chaque segment génère une traînée, une résistance au mouvement. Lorsque le segment ondule, la traînée est plus grande dans une direction perpendiculaire au corps que parallèlement à celui-ci. Le résultat est poussé dans la direction parallèle, ou vers l'avant. Cette idée est connue sous le nom de théorie de la force résistive.

Mais en 1960, un mathématicien britannique, James Lighthill, a proposé une idée différente dans laquelle l'effet dominant est l'inertie de l'eau. Cela permet à une plaque plane de générer une poussée en ondulant avec une faible amplitude. C'est ce qu'on appelle la théorie du corps allongé.

La principale différence entre ces théories est le type de force générée. Pour Taylor, c'est une force résistive, qui agit dans la direction opposée au mouvement d'un corps mais qui est en phase avec cette vitesse. Pour Lighthill, il s'agit d'une force réactive, qui agit dans le sens opposé à une force d'action et est en phase avec l'accélération.

Cela peut sembler une différence subtile, mais c'est essentiel pour comprendre la propulsion des poissons et pour la reproduire artificiellement. C'est pourquoi il est important de savoir quelle théorie utiliser.

Pour le savoir, Tingyu et co ont créé un modèle informatique 3D de dynamique des fluides de deux types de poissons : les nageurs anguilliformes comme les anguilles et les nageurs carangiformes comme le maquereau. La principale différence est que les anguilliformes ondulent tout leur corps, tandis que seule la moitié arrière des corps carangiformes se plie de manière significative.

L'équipe a utilisé des études réelles du mouvement des poissons pour calibrer leurs modèles, puis a calculé la force, le couple et la puissance générés par chaque type de forme corporelle.

Les résultats rendent la lecture intéressante. Il s'avère que les deux théories sont correctes mais pour différentes formes de corps et même pour différentes parties de ces corps.

Par exemple, tant pour les nageurs de type maquereau que pour les nageurs de type anguille, les forces de résistance sont plus importantes dans la partie médiane du corps, qui est relativement lisse et uniforme. Mais les forces réactives jouent un rôle beaucoup plus important près de la queue des nageurs de type maquereau.

L'élasticité joue également un rôle important. Personne n'a été en mesure de mesurer l'élasticité du corps des poissons lorsqu'ils nagent, mais le consensus est que l'élasticité doit aider à stocker l'énergie et à améliorer l'efficacité de la nage.

Le modèle de Tingyu and co donne également un aperçu, en montrant comment l'élasticité varie avec la force et la puissance générées par le corps. Les chercheurs montrent comment les anguilles et les maquereaux doivent devenir élastiques à différents endroits de leur corps et à différents points au cours de chaque cycle d'ondulation. Cette observation est cohérente avec les conclusions d'études précédentes selon lesquelles une élasticité appropriée peut économiser et restaurer de l'énergie pour améliorer l'efficacité, disent-ils.

Cela soulève la question de savoir comment ce transfert d'énergie se produit à travers les corps des poissons. L'une des caractéristiques anatomiques déroutantes des nageurs de type maquereau est qu'ils ont des tendons qui s'étendent le long de leur corps vers la queue. Si chaque vertèbre agissait comme une unité indépendante, comme le suggère la théorie de Taylor, ce type de tendon ne serait pas nécessaire.

Mais dans le nouveau modèle développé par Tingyu and co, c'est exactement ce qu'il faut. Nous émettons l'hypothèse que ces longs tendons sont utilisés pour transférer de l'énergie, disent-ils.

C'est un travail intéressant, et pas seulement parce qu'il donne un aperçu détaillé de l'une des formes de propulsion les plus courantes dans le monde naturel. Il s'avère que la propulsion des poissons est beaucoup plus complexe qu'on ne le pensait à l'origine, et vraisemblablement tout aussi difficile à reproduire artificiellement.

Mais les travaux de Tingyu et co offrent une voie à suivre aux bioingénieurs qui espèrent reproduire la propulsion des poissons dans des dispositifs artificiels. Cela pourrait aussi un jour aider les sous-marins à voyager plus vite. Les humains ont beaucoup de rattrapage à faire !

Réf : arxiv.org/abs/1812.02410 : Comment la puissance des poissons nage : une étude de dynamique des fluides computationnelle 3D

cacher