Pendant des années, B. Ubbo Felderhof, professeur à l'Institut de physique théorique de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle en Allemagne, a exploré les mécanismes sur lesquels les poissons et les micro-organismes s'appuient pour se propulser. Les oiseaux volants et les insectes font face à des défis similaires pour se propulser, mais sans le luxe de la flottabilité, ces créatures doivent également surmonter la gravité pour rester en l'air.

Il y a plus de 20 ans, Felderhof étudiait la théorie derrière la « nage » des micro-organismes, décrit par les interactions de friction entre les microcorps et leur fluide environnant. En raison de la faible masse de nombreux micro-organismes tels que les bactéries, de telles forces d'inertie pourraient être négligées dans la description. Pour les organismes un peu plus gros, cependant, Ce n'était pas le cas.

Felderhof a depuis créé des modèles mécaniques pour développer plus complètement la théorie, constitué de chaînes linéaires de sphères reliées par des ressorts et immergées dans un fluide. Ici, il a pris en compte que l'interaction avec le fluide implique à la fois le frottement et l'inertie, puisque l'effet de masse ne peut pas être négligé pour ces plus grandes structures.

Comme le rapporte maintenant Felderhof dans Physique des fluides , il vient de pousser ce travail encore plus loin en abordant ce qui se passe dans le cas de l'ajout d'une sphère à la chaîne qui est beaucoup plus grande que les autres sphères.

Felderhof étudie les structures des sphères car l'effet du frottement et de l'inertie des fluides sur le mouvement d'une seule sphère est assez bien connu. Avec plusieurs sphères, cependant, l'image est plus complexe et doit tenir compte des positions et des orientations. « Pour plusieurs sphères, il y a la complication des interactions hydrodynamiques dues à l'interférence des régimes d'écoulement, " dit-il. " Ces interactions hydrodynamiques dépendent des positions relatives des centres des sphères. "

Si les positions relatives des sphères sont modifiées périodiquement en appliquant une force oscillante sur chacune d'elles, avec la contrainte que la force nette totale s'annule à tout moment, le système voit toujours le mouvement. « Malgré cette dernière contrainte, l'ensemble des sphères effectue en général un mouvement net, qui s'appelle 'la natation, '", a déclaré Felderhof.

Une formulation mathématique permet de trouver la course optimale - les forces appliquées combinées - qui donne la vitesse moyenne maximale pour une puissance donnée.

Pour ce nouveau travail, Felderhof a exploré une chaîne linéaire de sphères avec un grand, sphère passive, ce qui signifie que la force appliquée sur cette sphère disparaît. "La grande sphère s'appelle la 'cargo, '", a-t-il dit. "Pensez-y comme un grand corps avec de petits appendices mobiles, ou d'un bateau poussé ou tiré par une petite hélice."

Son travail fournit une clarification conceptuelle importante de la théorie des flux. "Dans les explications populaires de la natation et du vol, on nous dit que la vitesse est atteinte par un équilibre de poussée et de traînée, " dit Felderhof. " Mes calculs de modèle, cependant, montrent que la poussée et la traînée moyennes s'annulent toutes deux lorsqu'elles sont moyennées sur une période. L'effet est plus subtil. Les interactions du corps et du fluide sont telles que les déformations périodiques de la forme du corps entraînent un mouvement net par rapport au fluide, même si la poussée nette disparaît."

Une grande partie des travaux antérieurs sur la natation se sont concentrés soit sur la limite dominée par la friction, valable pour les micro-organismes, ou sur la limite d'inertie dominée, valable pour les gros animaux. « Dans mon modèle, le frottement et l'inertie jouent tous deux un rôle pour que la nage puisse être étudiée en régime intermédiaire, où les deux effets sont importants, " il a dit.

Au niveau des candidatures, le modèle de chaîne linéaire de natation est particulièrement utile en raison de sa structure élancée et de sa capacité à se déplacer dans des tubes étroits, de telles veines humaines.

"Les biologistes ont déjà envisagé la possibilité d'un transport de drogue par de tels moyens, " a déclaré Felderhof. " Et maintenant, nous avons développé un modèle mathématique qui permet d'optimiser les déformations du corps, ce qui conduit à une vitesse maximale pour une puissance donnée. Cette méthode ne se limite pas aux chaînes linéaires, nous pouvons donc envisager de l'appliquer à des structures plus compliquées dans des travaux futurs."

D'abord, Felderhof souligne qu'il est important de valider le modèle par comparaison avec des simulations informatiques et des expériences ultérieures, qui dépasse son objectif, il espère donc que d'autres chercheurs le poursuivront.

"Le frottement et l'inertie ne sont pas les seuls effets qui peuvent conduire à la nage, " Felderhof a déclaré. " Le battement conduit à l'effusion de vortex et peut-être à une 'rue' de vortex. Cet effet est absent de mon modèle, mais peut être indispensable pour la nage de certains poissons et pour les oiseaux en vol. Il sera intéressant d'établir l'importance relative du frottement, inertie, et l'effusion de vortex, mais à présent je ne vois pas comment cela peut être accompli en théorie analytique. De nouveau, la simulation informatique serait utile.