Le plus petit insecte volant

2 03 2013

Le plus petit insecte volant est la megaphragma mymaripenne. Sa taille ne dépasse pas 200 μm soit un cinquième de millimètre, ce qui est comparable à l’envergure d’une paramécie.

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On remarque sur l’image que les ailes de la megaphragma mymaripenne sont bien différentes de celle des autres insectes volants (mouche, abeille, etc…). À de si petites échelles, faire battre une aile flexible ne permet pas de produire une force verticale et donc de voler. Pour se sustenter la megaphragma mymaripenne utilise donc un autre moyen, elle fait vibrer les cils qu’elle possède en bout d’aile. Ces vibrations permettent à cet insecte de se propulser dans l’air de la même manière que les vibrations d’un flagel de spermatozoïde lui permettent d’avancer dans un liquide.

Cette espèce intéresse particulièrement les neuroscientifiques qui cherchent à comprendre comment un si petit nombre de neurones suffisent à produire le contrôle des muscles nécessaires au vol.

Source :

Wikipédia – megaphragma mymaripenne. (#)

Discover – Tinny Wasp. (#)

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Architecture animale

24 02 2013

Cette photo n’est pas la maquette d’une colonie spatiale pour accueillir les hommes du futur mais bien celle d’une habitation millénaire !
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Elle correspond au moulage d’une fourmilière par l’entomologiste américain Walter R. Tschinkel. Ce dernier utilise de l’aluminium en fusion qu’il coule dans l’entrée d’une fourmilière. Ce métal se solidifie en adoptant la forme des labyrinthes.
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Ce procédé criminel pour les fourmis a l’avantage de mettre en avant leur don pour l’architecture.

Source :

Core77-Ants architecture. (#)





L’albatros vole sans forcer

24 02 2013

Les albatros sont des oiseaux marins connus pour leurs ailes de grandes envergures pouvant atteindre jusqu’à 3,5 m. Cette particularité leur permet de réaliser une prouesse qu’aucun autre oiseau ne peut réussir : parcourir plusieurs milliers de kilomètres sans jamais battre des ailes et sans jamais se poser au sol. Mais comment l’albatros peut-il se déplacer sur une telle distance sans jamais s’arrêter pour reprendre des forces avec un bon casse-croûte de poisson ?

Albatros royal Diomedea epomophora Southern Royal Albatross

C’est que les albatros utilisent non pas leur énergie pour voler mais celle des vents marins. Et plus particulièrement les albatros se servent d’une propriété particulière des vents marins : celle d’augmenter en intensité avec l’altitude. En effet le vent en mer est souvent très faible à la surface de l’eau jusqu’à devenir plus intense 10 à 15 mètre au dessus du niveau des mers. Cette répartition du vent marin selon l’altitude est représentée à gauche sur le schéma suivant où il passe d’une valeur nulle à celle de 5 m/s (18 km/h) en altitude.

Vol Albatros

La question est de savoir comment l’albatros met à profit cette distribution de vent. Imaginons un albatros volant à 15 m/s dans la zone sans vent (point START sur la figure précédente). Compte tenu de sa vitesse, ses ailes lui permettent de monter vers la zone supérieure où le vent souffle (zone au dessus de la ligne horizontale bleue sur la figure précédente). Arrivée dans cette région, le vent souffle contre lui et il ressent un flux d’air allant à 15+5=20 m/s. C’est alors qu’il manoeuvre pour se retourner et avoir le vent dans le dos. Il profite de ce vent arrière pour le pousser et accroître de nouveau sa vitesse de 5 m/s atteignant ainsi 25 m/s. Il finit par redescendre dans la zone sans vent où il peut profiter de sa vitesse pour se laisser planer (vers la gauche depuis le point END sur la figure).

C’est durant cette phase de vol plané que l’envergure et la forme des ailes de l’albatros lui servent le plus. Les ailes de l’albatros sont profilées tel qu’elles subissent des forces de frottement vingt fois moins importantes que celles de portance qui compensent son poids et prolongent son vol plané. Autrement dit, l’albatros va planer quasiment à l’horizontal, parcourant une très grande distance sans pratiquement perdre en altitude. Au moment où sa vitesse atteint de nouveau 15 m/s il recommence sa manoeuvre dans la couche supérieure de l’atmosphère afin de reprendre de la vitesse et de réaliser un nouveau vol plané.

Au final, c’est la capacité de l’albatros à se retourner sans perdre de vitesse qui lui permet de s’aider de la force du vent. Si l’albatros montait dans la zone supérieure et y ressortait dans le même sens (flèche pointillée sur la figure précédente) il n’aciérerait aucune vitesse supplémentaire. Par ailleurs, ce sont la dimension et le profil exceptionnel des ailes de l’albatros lui confère les qualités d’un planeur hors norme.

Cependant les longues ailes de l’albatros ne représente pas uniquement un avantage. En effet ces ailes sont tellement grandes que l’oiseau ne possède pas une musculature suffisante pour les faire battre rapidement et longtemps. Ceci implique que le décollage de ces oiseaux soit toujours un moment délicat :

Le manque d’aisance de l’albatros au décollage lui a donné une image assez gauche que Charles Beaudelaire reprends dans le poème « l’Albatros » où il compare le poète à l’oiseau exilé sur le sol mais rêvant d’infini.

Sources :

Epoch Times – L’albatros. (#)

Philip L. Richardson, How do albatross fly around the world without falpping their wings ? Progress in Oceanography (2010).(#)

National Geographic – Albatross flight. (#)





Batman peut-il voler ?

26 07 2012

Batman est un super héros un peu particulier car il ne possède pas de super pouvoirs. Cependant une collection de gadget en tout genre l’aide à faire régner l’ordre sur Gotham City. L’un des accessoire le plus connu de Batman est de toute évidence sa cape noire. Celle ci a la propriété de devenir rigide lorsqu’un courant électrique la traverse.  Mais la question se pose de savoir si cette cape lui permet de voler dans les airs comme le fait une chauve souris ?

La première différence notable avec une chauve souris c’est que Batman ne bat jamais des ailes. Ainsi il ne peut pas véritablement voler mais uniquement planer. C’est d’ailleurs ce qu’on voit dans les différents films et dessins animés. Le héros s’élance du haut des immeubles sur ses terribles ennemis situés en contre bas. Lorsque Batman souhaite remonter, il utilise un grappin.

Il est intéressant de savoir dans quelle mesure sa cape l’aide à planer. Imaginons que Batman se jette depuis le haut d’un immeuble sans sa cape. Il va alors tomber sous l’effet de son propre poids pour finir écrasé par terre à quelques mètres du pied de l’immeuble. En revanche lorsque Batman déploie sa cape il ne va plus être soumis uniquement à son poids. En effet l’écoulement de l’air autour de la cape va appliquer des forces sur celle ci. On a l’habitude de décomposer ses forces en une force de traînée T et une force de portance P.

La force de traînée T est dans la même direction de la vitesse de l’objet V qui se déplace dans l’air mais en sens inverse et sa norme est :

où ρ est la masse volumique de l’air, S la section exposée de l’objet, V sa vitesse et Cd le coefficient de traînée (sans dimension). Quand a elle la force de portance P est dans la direction perpendiculaire à la vitesse de l’objet et sa norme s’exprime par :

On remarque que l’expression de la force de portance est analogue à celle de trainée avec un coefficient Cl, dit coefficient de portance, qui est différent de celui de traînée.

Ces expressions sont générales pour tout objet soumis à un écoulement d’air. Toute la question est de connaître les coefficients de traînée et de portance pour l’objet que l’on considère. Plus l’objet sera profilé plus le coefficient de traînée sera faible. C’est ce que représente l’image suivante qui donne la valeur typique des coefficients de traînée pour différents objets.

On y remarque que les objets les plus « profilés » sont ceux qui ont le coefficient de traînée le plus faible. De même le coefficient de portance va dépendre de la géométrie de l’objet. Il sera nul pour les objets symétriques par rapport à la direction de la vitesse (par exemple le disque, la sphère, etc…). En effet l’air va s’écouler de la même manière de chaque côté et il n’y aura donc pas de dissymétrie capable de produire une force dans la direction perpendiculaire à la vitesse. En revanche pour une aile, l’air va s’écouler plus rapidement dessus que dessous. Ceci va engendrer une zone de dépression au dessus de l’aile et une zone de surpression au dessous. Ainsi il résulte une force de portance vers le haut. Il se trouve que pour une aile le coefficient de portance peut être très grand, jusqu’à Cl=1.4. Dans l’air, une aile va donc subir une force de portance bien plus grande que celle de traînée. Cet objet est donc très efficace pour planer parce que sa portance permet de compenser le poids sans que la traînée ne réduise de trop la vitesse.

Imaginons que la cape de Batman se comporte comme une bonne aile de coefficient de portance Cl=1.4 et de traînée Cd=0.2. La densité de l’air à température normale est ρ=1,2 kg/m³. Il nous manque alors la section S de la cape exposée à l’écoulement. Des étudiants de l’université de Leicester l’ont déterminé en utilisant les images du film de C. Nolan Batman Begins. En connaissant la taille de Batman et en approximant sa cape par une géométrie triangulaire (photo ci dessous) ils ont estimé sa surface à 2,20 m².

Connaissant toutes les forces qui s’appliquent sur notre super héros, ces étudiants en ont déduit la trajectoire de la chauve souris humaine lorsqu’elle saute d’un immeuble en conservant une inclinaison constante par rapport à la direction de la vitesse. Ils ont trouvé que pour un saut d’un immeuble de 150 m (environ 50 étages, ce qui est vraisemblable pour les grattes ciel de Gotham City) la cape lui permet de planer jusqu’à une distance de 400 m. La cape de Batman lui permet donc de réaliser des vols planés bien plus impressionnant qu’un humain qui en est dépourvu.

Cependant les étudiants de l’université de Leicester montre aussi que dans ces conditions, Batman arriverait au sol avec une vitesse de l’ordre de 80 km/h ! On imagine bien la difficulté alors la difficulté pour Bruce Wayne d’atterrir sur ces jambes à une telle vitesse. Afin que la vitesse de Batman soit plus raisonnable à l’atterrissage, il faudrait que la surface exposée de sa cape soit bien plus grande (d’un facteur 4 pour atteindre 20 km/h en fin de course par exemple).

En conclusion cet article autour des prouesses de Batman nous a permit d’en apprendre un peu plus sur les forces appliquées par l’air sur un objet en mouvement. Un objet en forme d’aile possède une grande portance et une faible trainée et sera donc tout à fait adaptée pour planer. Cette propriété très générale s’applique aussi pour les ailes d’un planeur ou celles d’un oiseau et pourrait même être extrapolé au sauteur à ski.

Sources:

Wikipédia – Batman. #

Physics Special Topics. #

The Telegraph. #

Huffington Post. #





Les quatre fers en l’air

10 04 2012

Eadweard James Muybridge est un photographe anglais de la seconde moitié du XIX ème siècle qui travailla longuement aux Etats Unis. Entre 1878 et 1879 c’est l’un des premiers à s’être intéressé à la locomotion animale.

L’origine de cet intérêt a été initié par le gouverneur de Californie, Leland Standford, qui l’emploie en 1872 comme photographe. Ce dernier est passionné de courses à cheval et il aimerait répondre à la question en vogue à cette époque là : Est ce qu’un cheval au trot ou au galop a ses quatre pattes qui décollent du sol au même instant ? Standford avait en effet parié sur l’affirmative auprès des ses amis, suivant le courant de pensée de l’époque. Ce tableau retranscrit la pensée couramment adopté concernant la course hippique.

Etant donné que l’oeil humain n’est pas capable de résoudre temporellement la course d’un cheval, Muybridge utilisa la photographie pour répondre à cette question. En 1878 il parvint à capturer une photo d’un cheval au trot avec les quatre pattes suspendues en l’air,  donnant raison à Standford. Fort de ce succès les deux hommes tenteront de décrire plus en détail la course d’un cheval.

Dans cet objectif, Muybridge installe une série d’appareil photo également espacés au bord d’un champ de course. Le déclenchement successif de ces appareils va lui permettre de réaliser la toute première séquence photo d’un cheval au galop. Cette série est visible ci dessous :

Cette série d’image peut être animée comme suit :

On remarque bien sur cette animation qu’il arrive que le cheval décolle les quatre pieds au même instant. Cependant, ses pattes ne sont pas étendues à l’avant et à l’arrière de l’animal, comme le pensait les gens à l’époque, mais rétractées sous son corps.

Muybridge ne bénéficia pas immédiatement d’une reconnaissance pour ces travaux. En effet, Standford demanda à un de ses amis Dr. J. B. D. Stillman d’écrire un traité sur le mouvement du cheval utilisant les clichés de Muybridge mais sans citer ce dernier. Ce n’est que plus tard en Angleterre que le photographe pourra travailler à son compte et être reconnu des grandes institutions comme la Royal Institution.

Source : Wikipédia – Eadweard James Muybridge. #





Yeux de mouche

27 08 2011

Zoom sur les yeux d’une mouche Holcocephala fusca. Ces yeux sont composés de plusieurs milliers de photorécepteurs qui pointent chacun dans une direction légèrement différente. Ainsi la mouche perçoit une véritable mosaïque du monde. Le recoupement de toutes les images perçues permet à la mouche de voir le monde réel avec un large angle. Cependant les yeux composés possèdent aussi des inconvénients par rapport aux yeux simples. La taille de chaque lentille oculaire étant faible, la diffraction limite la résolution des yeux composés.

Source : Wikipédia





Les manchots empereurs

3 07 2011

Le manchot empereur est une espèce qui vit dans un environnement extrêmement froid . La température sur la banquise peut descendre à -40°C et les vents atteindre  140 km/h. Afin de maintenir leur température corporelle à 39°C les manchots se regroupent en banc comme on peut le voir sur la photo suivante.

Photo : © Samuel Blanc \ www.sblanc.com

On remarque que le banc de manchot adopte plutôt une forme de cercle. Cette forme est celle qui laisse le moins de manchot sur les  bords. Ainsi le maximum d’individu est maintenu au chaud au centre du banc.