Une partie de la réponse réside dans des interactions aérodynamiques précises et jusqu’alors inconnues, rapporte une équipe de mathématiciens dans une étude récemment publiée. Cette avancée élargit notre compréhension de la faune, y compris des poissons, qui se déplacent en bancs, et pourrait avoir des applications dans les transports et l'énergie.

"Ce domaine de recherche est important puisque l'on sait que les animaux profitent des flux, comme l'air ou l'eau, laissés par les autres membres d'un groupe pour économiser l'énergie nécessaire au déplacement ou pour réduire la traînée ou la résistance", explique Leif. Ristroph, professeur agrégé au Courant Institute of Mathematical Sciences de l'Université de New York et auteur principal de l'article, paru dans la revue Nature Communications .

"Notre travail peut également avoir des applications dans les transports (comme une propulsion efficace dans l'air ou l'eau) et dans l'énergie, comme la récupération plus efficace de l'énergie du vent, des courants d'eau ou des vagues."

Les résultats de l'équipe montrent que l'impact de l'aérodynamique dépend de la taille du groupe volant, bénéficiant aux petits groupes et perturbant les grands.

"Les interactions aérodynamiques dans les petites volées d'oiseaux aident chaque membre à occuper une certaine position particulière par rapport à son voisin principal, mais les groupes plus importants sont perturbés par un effet qui déloge les membres de ces positions et peut provoquer des collisions", note Sophie Ramananarivo, professeur adjoint. à l'École Polytechnique Paris et l'un des auteurs de l'article.

Auparavant, Ristroph et ses collègues avaient découvert comment les oiseaux se déplaçaient en groupe, mais ces résultats étaient tirés d'expériences imitant les interactions de « deux » oiseaux. La nouvelle Communications Nature la recherche a élargi l'enquête pour prendre en compte de nombreux dépliants.

Pour reproduire les formations en colonnes des oiseaux, dans lesquelles ils s'alignent les uns derrière les autres, les chercheurs ont créé des clapets mécanisés qui agissent comme des ailes d'oiseaux. Les ailes ont été imprimées en 3D à partir de plastique et entraînées par des moteurs pour battre dans l'eau, ce qui reproduit la façon dont l'air circule autour des ailes des oiseaux pendant le vol.

Ce « faux troupeau » se propulsait dans l'eau et pouvait librement s'organiser dans une file d'attente ou une file d'attente.

Les flux ont affecté l'organisation du groupe de différentes manières, en fonction de la taille du groupe.

Pour de petits groupes comprenant jusqu'à quatre volants environ, les chercheurs ont découvert un effet par lequel chaque membre bénéficie de l'aide des interactions aérodynamiques pour maintenir sa position par rapport à ses voisins.

"Si un volant est déplacé de sa position, les vortex ou tourbillons d'écoulement laissés par le voisin principal aident à repousser le suiveur en place et à le maintenir là", explique Ristroph, directeur du laboratoire de mathématiques appliquées de NYU, où les expériences ont été menées. . "Cela signifie que les volants peuvent s'assembler automatiquement et sans effort supplémentaire dans une file d'attente ordonnée à espacement régulier, puisque la physique fait tout le travail.

"Pour les groupes plus importants, cependant, ces interactions de flux provoquent des bousculades et des rejets des membres ultérieurs, provoquant généralement une rupture du troupeau en raison de collisions entre les membres. Cela signifie que les groupes très longs observés chez certains types d'oiseaux sont pas du tout facile à former, et les membres ultérieurs devront probablement travailler constamment pour conserver leurs positions et éviter de s'écraser sur leurs voisins. "

Les auteurs ont ensuite déployé une modélisation mathématique pour mieux comprendre les forces sous-jacentes à l'origine des résultats expérimentaux.

Ici, ils ont conclu que les interactions médiées par les flux entre voisins sont, en fait, des forces semblables à des ressorts qui maintiennent chaque membre en place, tout comme si les wagons d'un train étaient reliés par des ressorts.

Cependant, ces « ressorts » n'agissent que dans une seule direction :un oiseau de tête peut exercer une force sur son suiveur, mais pas l'inverse - et cette interaction non réciproque signifie que les membres ultérieurs ont tendance à résonner ou à osciller énormément.

"Les oscillations ressemblent à des vagues qui font bouger les membres d'avant en arrière et qui parcourent le groupe et augmentent en intensité, provoquant ensuite l'écrasement des membres", explique Joel Newbolt, qui était étudiant diplômé en physique à l'Université de New York au moment de la recherche.

L'équipe a nommé ces nouveaux types d'ondes « flonons », basé sur le concept similaire de phonons qui fait référence aux ondes vibratoires dans des systèmes de masses liées par des ressorts et qui sont utilisés pour modéliser les mouvements d'atomes ou de molécules dans des cristaux ou d'autres matériaux. .

"Nos découvertes soulèvent donc des liens intéressants avec la physique des matériaux dans laquelle les oiseaux d'un troupeau ordonné sont analogues aux atomes d'un cristal ordinaire", ajoute Newbolt.