Les papillons monarques migrent sur environ 4000 XNUMX km du nord des États-Unis ou du Canada vers le centre du Mexique pour hiberner, un modèle de migration inégalé par aucune autre espèce de leur espèce. Un si long voyage semble étrange au premier abord : les papillons sont les seules créatures volantes à avoir des ailes courtes, larges et grandes proportionnellement à leur corps. Mais le simple fait de voler suffisamment haut pour capter des courants de vent favorables a peut-être contribué à ce succès.
Les lépidoptères, qui signifie « ailes écailleuses » en grec, sont la classification scientifique utilisée pour les papillons et les mites. Les ailes des papillons peuvent contenir plus d'un million d'écailles microscopiques couvrant les deux côtés. Bien que la forme des paillettes varie, elles ont normalement une épaisseur de 0,1 mm. En plus de garder les insectes au sec, les écailles leur donnent également leur motif de couleur distinctif qui les aide à éviter les prédateurs, à contrôler la température et à attirer l'attraction nuptiale. De plus, sa microgéométrie peut réduire la friction cutanée jusqu'à 45 %.
La conception des ailes des insectes varie considérablement et la taille joue un rôle important dans l’efficacité du vol. Les insectes ailés plus petits tels que les mouches (200 Hz) utilisent des fréquences de battement d'ailes plus élevées, tandis que les insectes plus gros tels que les monarques (10 Hz) utilisent des fréquences plus basses. La plupart des papillons, y compris les monarques, volent à seulement quelques mètres du sol, mais pendant la migration, des monarques ont été observés s'élevant à des altitudes de plus de 1 km, d'où ils planent sur des kilomètres au gré des courants de vent. Lorsqu'ils volent près du sol et battent des ailes, ils peuvent voler jusqu'à 5 m/s, soit environ la moitié de la vitesse de l'homme le plus rapide du monde, Usain Bolt.
Dans le cadre d’un projet que nous avons mené en 2017, des chercheurs ont examiné les mouvements et les trajectoires des battements d’ailes des papillons monarques, d’abord avec leurs écailles ouvertes, puis avec leurs écailles fermées. Premièrement, l’expérience a réfuté l’idée selon laquelle un insecte a besoin d’écailles pour voler. Plus important encore, après avoir délicatement retiré les écailles attachées à l'aile, semblables à des plumes d'oiseaux, le poids d'un papillon n'a diminué que de 9,5 % en moyenne.
Cependant, dans une étude portant sur 11 spécimens et plus de 200 vols, le retrait des écailles a réduit l'efficacité d'escalade d'un monarque de 32 % en moyenne. Les rondelles ont une conception spéciale et avantageuse qui crée de petites chambres qui améliorent l'aérodynamisme de l'aile.
Aérodynamique du vol des papillons
La figure montre les quatre forces de base agissant sur un papillon pendant le vol battu : portance (L), contrepoids (W), poussée (T) et traînée (D). Les ailes en produisent trois : la portance, la poussée et la traînée. Pour que l’insecte puisse grimper, sa force de levage et de poussée doit être supérieure à son poids et à sa force de traction. De plus, l'air en contact avec les ailes applique une pression et une contrainte de cisaillement aux ailes, ce qui est le seul moyen pour les ailes d'obtenir une portance, une poussée et une traînée nettes.
Pendant que l'insecte vole, un vortex d'avant-garde est créé par l'air passant sur chaque aile. Une basse pression est créée à l'intérieur du vortex par le flux en rotation, et la différence de pression qui en résulte à travers l'aile produit à la fois une portance et une poussée. La contrainte de cisaillement est la principale cause de dérive.
Différents modèles de vol de papillons ont été détectés en 2020 par Christoffer Johansson et Per Henningsson à l'aide de caméras au ralenti et de mesures de débit. Ils ont découvert que la fin de la course ascendante, où les ailes flexibles s'emboîtent et pressent l'air emprisonné entre elles, correspond au moment où la plus grande poussée est produite. Des flux d'air tridimensionnels, complexes et irréguliers sont tous possibles. En vol de planeur, le frottement cutané ou la contrainte de cisaillement provoquée par l'air visqueux se déplaçant sur l'aile représente près de la moitié de la force de traînée totale. L’énergie laissée par les tourbillons de sillage, également connue sous le nom de traînée induite, est un autre facteur important.
La finesse des monarques est estimée de manière prudente à 4:1. La friction cutanée pendant le vol plané peut représenter pour le moins 10 % ou moins de la portance. Les papillons volent de manière inefficace en raison de leurs ailes à faible allongement, du moins par rapport à un Boeing 17, qui a une finesse d'environ 1:747. S’il existait un moyen de réduire la friction cutanée, les monarques pourraient manœuvrer dans les airs avec beaucoup moins de résistance grâce à leur corps léger et leurs grandes ailes.
Friction des papillons avec l'air
Ce qui provoque le frottement cutané sur l'aile d'un papillon est le développement d'une couche limite laminaire, une région d'écoulement visqueux et lisse avec une différence de vitesse entre l'aile et l'air ambiant. En mécanique des fluides, la condition dite de non-glissement stipule que la vitesse de l'air le long de l'aile doit coïncider avec la surface de l'aile. Cependant, la présence de microcavités créées par le tartre modifie la façon dont l’air interagit avec la surface de l’aile.
Dans les espaces situés sous les écailles, le nombre de Reynolds (rapport des forces d'inertie aux forces visqueuses) est inférieur à 10 en raison de la petite taille des écailles et du flux d'air visqueux au-dessus d'elles. En raison du faible nombre de Reynolds, le flux est régulier et ordonné. Si le nombre de Reynolds augmente, le flux commencera à devenir instable. Mon groupe a pu recréer ce flux à faible nombre de Reynolds en laboratoire en remplaçant l'air par de l'huile minérale à haute viscosité et les écailles par des plaques fabriquées qui triplaient la taille des écailles. En utilisant des angles de parois de cavité compris entre 22° et 45°, des modèles biologiquement inspirés de la surface des écailles ont été étudiés.
Lorsque le liquide s'écoule dans les interstices des flocons transversalement aux rangées de flocons, de petits tourbillons sont capturés. Ces petites roues pneumatiques sont indépendantes du flux externe et fusionnent pratiquement avec la surface de l'aile. Lorsque cela se produit, le flux externe peut potentiellement sauter par-dessus la surface, annulant partiellement l'exigence d'adhérence. Des résultats de laboratoire ont montré que pour le flux à faible nombre de Reynolds rencontré par les écailles d'un papillon en vol, il y a une réduction de la traînée de friction cutanée d'au moins 26 % et jusqu'à 45 % par rapport à une surface lisse.
Selon nos dernières découvertes, lorsque le nombre de Reynolds du vide est nettement supérieur à 10 (80 ou plus), l'effet positif disparaît à mesure que le flux dans le petit vortex devient désordonné et fusionne avec le flux externe au-dessus. Par conséquent, les petites écailles des ailes d’un papillon s’adaptent parfaitement aux vitesses de vol typiques de l’insecte. Si les flocons étaient significativement plus gros, ils produiraient un nombre de Reynolds plus grand et perdraient le mécanisme de contrôle du flux qui augmente l’efficacité du vol.
Ressources: La physique aujourd'hui
📩 14/09/2023 10:03