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La propulsion des oiseaux et des poissons grâce aux tourbillons !

Un expérience modèle spectaculaire qui permet de comprendre comment les tourbillons créés par les battements d'ailes ou de nageoires contribuent (...) Voir descriptif détaillé

La propulsion des oiseaux et des poissons grâce aux tourbillons !

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Introduction

La propulsion des oiseaux, des insectes et des poissons est une source d’inspiration pour les chercheurs et ingénieurs qui cherchent à optimiser leurs systèmes de propulsion artificielle. La plupart de ces animaux utilisent des ailes ou des nageoires battantes pour se déplacer dans leur environnement. Ce battement crée des tourbillons dans le fluide environnant (l’air ou l’eau), lesquels aident l’animal à se propulser plus efficacement. Une expérience modèle simple permet de montrer ce phénomène de façon spectaculaire.

Le Projet

L’expérience de la nageoire en oscillation périodique

Le montage expérimental consiste à placer un profil de nageoire symétrique dans un écoulement d’eau, et de la mettre en oscillation transversalement à l’écoulement. Grâce à l’injection de colorant dans l’eau, les tourbillons qui se forment dans le sillage de la nageoire peuvent être observés.
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Si la nageoire reste immobile et que la vitesse de l’écoulement de l’eau est suffisante, on pourra observer une double-allée de tourbillons de sens de rotation alterné dans son sillage. Cette allée porte le nom d’allée de Bénard-Von Karman.
C’est un phénomène que l’on peut observer facilement dans la vie courante, dans l’eau derrière le pied d’un pont par exemple ou dans l’air derrière un volcan comme sur la photo ci-dessous.
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Lorsque la nageoire est mise en oscillation périodique, cela joue sur les schémas de tourbillons observés dans le sillage. A partir d’une certaine amplitude d’oscillation seuil, on peut observer une inversion du sens de rotation des tourbillons créés dans le sillage par rapport au cas statique. Les deux situations peuvent être comparées sur la photo ci-dessous. Le sillage du dessus présente une allée de tourbillons de Bénard Von Karman, tandis que le sillage du dessous correspond à une allée de tourbillons de Bénard Von Karman inversée. Le sens de rotation des tourbillons est indiqué par des flèches orange pour plus de clarté.
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Le secret des tourbillons

Comment expliquer le phénomène ?
Dans le cas statique, un bilan de la vitesse moyenne de l’écoulement montrera que la présence du sillage tourbillonnaire est associée à une diminution de la vitesse moyenne de l’écoulement, ce qui est caractéristique d’une force de trainée sur la nageoire fixe.
Par contre, dans le cas où l’oscillation de la nageoire a permis l’inversion du sens de rotation des tourbillons par rapport au cas statique, on pourra constater que la vitesse moyenne de l’écoulement au niveau du sillage tourbillonnaire présente une augmentation de la vitesse moyenne de l’écoulement. Ce jet de vitesse derrière la nageoire en mouvement est la signature d’une force de propulsion agissant sur la nageoire.

Ainsi, les oiseaux, les insectes et les poissons savent tirer parti de la production des tourbillons qu’il génèrent en battant des ailes ou des nageoires : alors que ceux-ci pourraient les freiner, ils s’arrangent pour les déplacer de l’autre côté du sillage tourbillonnaire d’un coup d’aile ou de nageoire.

Plutôt malins non ?

Références

Godoy-diana, R., Aider, J.L., & Wesfreid, J.E. (2008). Transitions in the wake of a flapping foil. Physical Review E, 77, 016308.

Guyon, E., Hulin, J.P., & Petit, L. (2011). Ce que disent les fluides. (2e édition augmentée). (pp. 90-91). Paris : Belin.

Marais, C. (2011). Dynamique tourbillonnaire dans le sillage d’un aileron oscillant : propulsion par ailes battantes biomimétiques. Université Paris Diderot, Paris.

Retours d'Expérience

Questions Techniques et Débats


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