Les animaux nageurs et volants sont parfaitement adaptés pour naviguer dans leur environnement, produisant une poussée via des propulseurs - des ailes pour les oiseaux et des nageoires caudales pour les poissons. Sur des millions d'années, la morphologie de ces animaux a évolué pour une croisière d'une efficacité maximale, et il y a environ 30 ans, les chercheurs ont proposé que la plupart des nageurs naviguent dans une plage étroite de nombres de Strouhal – ce sont des nombres sans dimension décrivant un flux oscillant. Et plus récemment, les chercheurs ont déterminé que les animaux volants croisaient dans la même gamme de nombres de Strouhal.

Spécifiquement, pour nager et voler les animaux, le nombre de Strouhal est défini comme St=f / U*A, où f est la fréquence d'oscillation, U est le débit, et A est l'amplitude d'oscillation. Et la plage étroite des nombres de Strouhal dans laquelle les animaux nageant et volant croisent est de 0,2

D'ACCORD. Alors pourquoi cette gamme étroite de nombres est-elle la plus efficace ? Daniel Floryan, Tyler Van Buren et Alexander J. Smits, ingénieurs mécaniciens à l'Université de Princeton, a mené une étude sur l'efficacité de la natation et des animaux volants afin de répondre à cette question.

Ils ont utilisé un dispositif expérimental dérivé d'études antérieures, qui consistait en un profil aérodynamique dans un tunnel d'eau. Le profil aérodynamique a fait des mouvements de soulèvement et de tangage biologiquement pertinents qui ont été mesurés par des encodeurs. Les chercheurs ont effectué des expériences sur toutes les combinaisons possibles de paramètres cinétiques et ont analysé mathématiquement les données résultantes.

Puisque la traînée ne peut jamais être complètement éliminée, une efficacité parfaite n'est pas possible. Mais les animaux sélectionnés comme les plus aptes ont évolué vers une gamme étroite de paramètres très efficaces.
Un animal nageant à vitesse constante crée une poussée avec sa nageoire caudale, et des expériences de traînée produites par deux sources :son corps, et la traînée « décalée » causée par la zone frontale du propulseur projetée sur son amplitude de mouvement.

Pour les animaux volants, la physique est quelque peu différente puisque leurs propulseurs doivent résister à la gravité en plus de fournir une poussée. Cependant, la nécessité de produire de la portance n'affecte pas la physique de la propulsion et de la traînée lorsque l'animal est à une vitesse de croisière constante.

Dans les études précédentes, les chercheurs ont suggéré que les mouvements de grande amplitude définissent le nombre de Strouhal pour une croisière efficace. Les auteurs de la présente étude soutiennent que l'amplitude définit l'efficacité totale sans dicter le nombre de Strouhal optimal. Au lieu, les auteurs écrivent, « la traînée décalée est cruciale pour déterminer le faible comportement du Strouhal et définir le Strouhal particulier auquel se produit l'efficacité maximale. »

La traînée s'avère être la clé. Sur la base de leur analyse, les chercheurs concluent que la plage des nombres de Strouhal qui définit une croisière très efficace pour les animaux nageurs et volants est en grande partie déterminée par la traînée fluide sur les nageoires et les ailes. "En d'autres termes, " concluent les auteurs, "des considérations énergétiques fixent la cinématique du propulseur à la plus efficace, et la poussée nette du propulseur à l'efficacité maximale équilibre la traînée du corps pour régler la vitesse de croisière."

© 2018 Phys.org