E7 Cinématique du tremblement

Topique

La cinématique du battement d'ailes décrit la géométrie du mouvement de l'aile : comment la position, la vitesse et l'orientation de chaque point de l'aile évoluent au cours d'un cycle complet. Ce module traduit le mouvement purement géométrique de l'aile en une représentation visuelle, point par point, instant par instant, tout au long du cycle.

Ce mouvement oscillatoire de l'aile est actionné par les muscles du vol – le grand pectoral et les muscles supracoracoïdiens – grâce à la cinématique de la chaîne squelettique, le système de leviers et d'articulations qui transmet le mouvement de la base de l'aile à son extrémité. Ce mouvement oscillatoire a pour conséquence que l'aile génère simultanément une portance pour supporter le poids de l'oiseau et une poussée pour se déplacer vers l'avant malgré la résistance de l'air.

L'efficacité avec laquelle ce mouvement oscillatoire de l'aile convertit la puissance musculaire en force propulsive dépend d'un paramètre sans dimension essentiel : le nombre de Strouhal, calculé à partir de la fréquence de battement, de l'amplitude du mouvement de l'aile à chaque cycle et de la vitesse de déplacement de l'oiseau. Les animaux qui nagent ou volent en utilisant un mouvement oscillatoire évoluent généralement dans une plage de nombres de Strouhal relativement étroite, entre 0,2 et 0,4. C'est précisément dans cette plage que l'efficacité avec laquelle ils convertissent la puissance musculaire en force propulsive est maximale : en dehors de cette plage, que ce soit en raison d'une cadence trop lente ou trop rapide par rapport à leur vitesse de déplacement, cette même puissance musculaire se traduit par une force propulsive moins efficace.

Cette convergence vers une même plage de nombres de Strouhal se retrouve chez des animaux aussi divers que les dauphins, les thons, les papillons, les colibris et les goélands – des espèces qui nagent ou volent avec des systèmes locomoteurs totalement différents – et constitue l'un des résultats les plus surprenants de la biomécanique comparée : elle suggère que cette plage de nombres de Strouhal n'est pas une coïncidence entre les espèces, mais une condition physique que tout mouvement oscillatoire propulsif efficace doit respecter, quel que soit l'animal qui l'effectue.

Par conséquent, la mesure du nombre de Strouhal d'un oiseau spécifique — basée sur sa fréquence de battement d'ailes, l'amplitude du mouvement de ses ailes et la vitesse vers l'avant que cette cinématique de battement d'ailes produit réellement — permet une comparaison directe, sans avoir besoin de connaître d'autres détails de son anatomie, pour déterminer si cet oiseau bat des ailes dans la plage que la biomécanique comparative associe à une efficacité propulsive maximale, ou s'il s'en est écarté.

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