Comment l'homme s'est-il inspiré des oiseaux pour parvenir à voler?
Travaux Personnels Encadrés - Lycée Saint Joseph du Loquidy - Nantes
Charles LANTZ & Valentin CHABLAT - 1ère S A 2016-2017
II. Copie du vol battu : un échec
B. Comprendre le vol battu
Le vol battu (possible uniquement chez les animaux ayant des ailes) consiste à battre des ailes pour se soutenir en l’air et se déplacer.
Il est pratiqué par la plupart des oiseaux ainsi que certains mammifères (chauve-souris).
Le battement des ailes a deux vocations : générer à la fois la portance et la poussée qui fait avancer l'oiseau. Nous nous intéresserons ici principalement à la portance.
1. Comprendre la portance générée par le vol battu
Durant la phase d’abattée (abaissement de l’aile), l’air chassé vers le bas crée une surpression sous l’aile et une dépression au-dessus de l’aile ce qui réunit toutes les conditions pour générer la portance nécessaire au vol jusqu’au battement d’aile suivant.
On distingue des oiseaux pour lesquels cet abaissement des ailes n’est pas parfaitement horizontal mais les ailes sont inclinées vers l’arrière : pour équilibrer la pression (à la suite de la surpression générée), l’air s’expulse vers l’arrière de l’aile, ce qui fait progresser le corps de l'oiseau vers l’avant.
Pour d'autres oiseaux, le mouvement de l'extrémité de l'aile est directement destiné à assurer la propulsion et est orienté dans le plan vertical.
2. un mécanisme dissymétrique pour optimiser le mouvement
a. le mouvement symétrique impossible...
Le mouvement de battement étant un mouvement cyclique c'est à dire qu'à la fin d'un battement on revient à la position initiale), on comprend que la portance doit être générée sur l'ensemble du cycle. Il se pose alors la question de la phase de remontée des ailes qui ne peut pas être le mouvement inverse de l'abattée. Si la phase de remontée était semblable à l’abattée, la compression de l'air lors de la remontée serait l'inverse de celle de l'abattée et la remontée générerait une portance négative égale a celle de la portance. Dans un tel cas les forces de "portance" générées par les deux phases du mouvement se compenseraient et l'oiseau ne pourrait pas voler.
b. observations du mouvement de quelques oiseaux
Nous utilisons pour cela des extraits vidéos en "slow motion", c'est à dire capturés avec une fréquence d'images importantes et ensuite ralenties.
Ces vidéos proviennent du site www.birdsinslowmotion.com
Décollage d'une Pygargue à queue blanche
Décollage d'oies
Aigle royal sur fond noir
c. L'oiseau plie ses ailes
Nous constatons sur les 3 vidéos observées ci-dessus que pour éviter de perdre, lors de la remontée, la portance et la propulsion créées lors de l'abattée, ces oiseaux plient leurs ailes à la remontée.
Ainsi lors de la remontée, les ailes ne font pas obstacle à l'air qui glisse sur leur surface. Sur la photo ci-dessous extraite de la vidéo d’aigle royal, on voit que les ailes forment un M : à l’intérieur du M, l'air glisse vers l’arrière de l'oiseau et le propulse tandis qu'à l’extérieur du M l'air glisse en appuyant sur les ailes et aide donc l'oiseau à effectuer ce mouvement.
On constate donc que la dissymétrie du mouvement permet grâce à une phase de remontée avec l'aile pliée : de ne pas générer de "portance négative" qui neutraliserait la portance créée pendant l'abattée
de consommer moins d’énergie car l'aile pénètre dans l'air plutôt que de lui faire obstacle.
3. une morphologie adaptée
a. Les os des ailes permettent la flexion.
Les ailes des oiseaux ne sont destinées qu'à voler. On a vu plus haut que pour cela, les oiseaux devaient plier ces ailes lors de la phase de remontée.
L'analyse de la structure des membres antérieurs montre cette prédisposition et la comparaison avec le bras de l'homme est frappante :
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L’humérus des oiseaux est court afin que le muscle pectoral qui générera le battement soit centré près du corps.
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Le "bras", c'est à dire l’humérus et le couple radius/cubitus, ne représente que la moitié de la longueur de l'aile.
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Les os "de la main" (carpiens, métacarpiens, et phalanges) sont longs et donnent de la rigidité à l’extremité de l'aile. Ils permettent à l'oiseau de faire varier le comportement du bout d'aile (ouverture du bord de fuite) alors que chez l'homme, ils sont dédiés à la préhension.
b. des os creux
Nous voyons sur la photo ci-dessous une coupe transversale d'os d'oiseau. Nous observons une structure trabéculaire, c'est à dire une structure creuse renforcée par des tiges qui évitent l'écrasement de l'os en cas de choc.
Cette structure creuse permet d'alléger le squelette et donc de faciliter le vol.
Comme nous savons par ailleurs que les os des mammifères sont eux aussi creux mais remplis de moelle, nous avons réalisé une expérience de dissection d'os d'oiseau afin de vérifier que l'os n'était pas rempli d'une substance. : Experience dissection d'os d'oiseau
des os creux : un schéma optimal
Comme les ailes de l'oiseau ne lui servent pas d'appui, ses os ne sont pas sollicitées par des efforts longitudinaux. Ils sont par contre sollicités par des efforts de flexion lors du mouvement de battement. C'est là que la structure creuse trouve tout son sens.
Pour comprendre l'intérêt de cette structure creuse, on peut faire le parallèle avec un autre exemple semblable mais dans le monde végétal : les bambous
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c. une musculature pectorale sur-développée
L'étude des muscles qui compose l'aile d'un oiseau "batteur" nous a permis d'observer qu'ils sont sur-développés : en particulier les muscles pectoraux qui servent à battre les ailes mais également les biceps, triceps, et avant-bras qui servent à plier ou allonger les ailes.
Chez certains oiseaux pratiquant le vol battu, les muscles pectoraux peuvent représenter 15% de la masse totale de l'oiseau ( sur un homme de 80 kg, cela ferait des pectoraux de 6 kg chacun!)
Leurs muscles très développés, leur permettent d'effectuer chez certains plus de 100 battements d'ailes à la minute, lors de la phase de l'envol.
La position de leurs muscles est aussi différente par rapport à la notre, ce qui leur permet aussi de détendre et de tendre leurs ailes simultanément.
