Inspiration design: les secrets de la peau de requin Understand article

Traduit par Mehdi Khadraoui. La peau de requin a de remarquables adaptations permettant de nager en économisant de l’énergie. Certaines d’entre elles sont aujourd’hui copiées par des designers et des ingénieurs.

Les requins ont un problème d’image : partout dans le monde, ils sont décrits comme des monstres assoiffés de sang – comme dans le film « Les Dents de la Mer ». La peur des requins est courante, particulièrement dans les zones côtières où des conditions idéales pour la natation et le surf coïncident avec la présence de requins. Dans ce genre de situations, le dessous blanc des planches de surf et les membres en mouvement des surfeurs peuvent facilement provoquer ces prédateurs – avec des conséquences parfois tragiques.

Les attaques de requin sont pourtant relativement rares, et de nombreuses espèces de requin ont besoin de protection contre l’activité humaine, particulièrement celle de la pêche. Très différents de leur portrait cinématographique, les requins forment un groupe de poissons cartilagineux important et divers, comprenant 360 espèces de 30 familles et huit ordres taxonomiques. La recherche sur les requins révèle leurs adaptations : leur peau, par exemple, a des caractéristiques remarquables qui aident les requins à nager en dépensant un minimum d’énergie. Ces caractéristiques ont été utilisées pour de nombreuses applications technologiques, allant des maillots de bain aux avions.

Un grand requin blanc, Carcharodon carcharias
Stefan Pircher/Shutterstock

Une forme aérodynamique

Comment les requins sont-ils adaptés à leur vie sous-marine ? La caractéristique la plus évidente (qu’ils partagent avec les autres poissons) est leur corps profilé, qui leur permet de nager très rapidement avec un minimum d’effort. Dans la fiche de travail supplémentaire w1, nous donnons des directives pour une expérience simple pour explorer comment la forme d’un objet affecte la force nécessaire à le faire avancer dans l’eau. Dans cette expérience, appropriée à l’école secondaire, les élèves utilisent de la pâte à modeler pour créer des objets de différentes formes – cubes, cuboïdes, sphères, cylindres, et une forme de requin – mais de masses identiques et leur font faire la course, en comparant combien de temps est nécessaire aux différentes figurines pour tomber au fond d’un haut cylindre rempli d’eau.

Écailles: suivre le courant

Les mouvements d’un animal dans l’eau sont bien évidemment influencés par sa forme, mais aussi par la façon dont l’eau glisse sur sa surface – c’est pour cette raison que les nageurs de compétition préfèrent avoir une peau et un maillot aussi lisses que possible. Si vous deviez caresser la peau d’un requin, vous remarqueriez qu’elle n’est lisse que dans une direction ; dans la direction opposée, elle est très rugueuse – comme si vous passiez vos doigts sur une pomme de pin de la pointe à la base plutôt que l’inverse. Cette différence de texture provient d’écailles fines en forme de dents qui recouvrent la peau des requins. Ces écailles « placoïdes » protègent contre les parasites et les blessures. De plus, les chercheurs ont trouvés un lien entre les détails de la forme de ces écailles et le mode de vie de différentes espèces de requin.

Diagramme des écaille placoïdes d’une roussette, montrant leur forme de dent
Carolin Zehne
 

Par exemple, les requins de récif (tels que les Centrophoridés) ont des écailles lisses, car elles les protègent contre l’abrasion mécanique des rochers. Ce n’est pas le cas des chasseurs rapides, tels que le grand requin blanc (Carcharodon carcharias), le requin soyeux (Cacharhinus falciformis) et les requins-marteaux (Sphyrnidae). Les écailles de ces espèces possèdent une caractéristique saisissante : de fines nervures (ou stries) suivent la longueur des écailles. Ces nervures sont alignées pour former de petites crêtes qui tracent la longueur du corps du requin. Bien que les crêtes ne mesurent que quelques micromètres de hauteur, des expériences ont démontré qu’elles réduisent la résistance de l’eau pendant que le requin nage, lui permettant de nager plus vite en utilisant la même quantité d’énergie. En revanche, les requins qui nagent lentement – comme les roussettes (Scyliorhinidae) – ont moins de nervures sur leurs longues écailles pointues. Ci-dessous, vous pouvez voir des images agrandies d’écailles de différentes espèces de requin, illustrant leurs formes variées.

Requins à pointes noires
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Requin-marteau
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Roussette
Rico Dumcke

Écoulement des fluides : en détails

Comment fonctionnent donc les nervures des écailles de requin ? Pour comprendre, il nous faut étudier les lois de la dynamique des fluides.

Il y a deux formes d’écoulement dynamique : laminaire et turbulent. En écoulement laminaire, le fluide bouge dans une seule direction ; les particules du fluide peuvent bouger à différentes vitesses dans différentes couches, mais les couches ne se mélangent pas. En écoulement turbulent, cependant, des écoulement secondaires fluctuent et vont à l’encontre de la direction principale d’écoulement , ce qui mène à un mélange des couches. Ici, les particules de fluide sont en constant changement de position et de vitesse, ce qui consomme de l’énergie.

Lorsqu’un poisson (ou un bateau) bouge dans l’eau – ou lorsqu’un avion vole – le corps en mouvement est entouré d’un fluide (l’eau ou l’air). À cause du frottement, les particules de fluide qui sont en contact avec la surface du corps bougent à une vitesse nulle relativement au corps, alors que le fluide plus éloigné du corps s’écoule facilement. Entre les deux se trouve une couche limite turbulente, où la résistance au mouvement se produit.

Écoulements turbulent et laminaire autour d’un corps en mouvement dans l’eau. 1 : direction de l’accélération ; 2 : direction de l’écoulement ; 3 : corps de requin ; 4 : couche limite turbulente ; 5 : couches d’écoulement laminaire
Carolin Zehne
 

Les nervures linéaires comme celles des écailles de requin réduisent cette résistance en changeant le flux dans la couche limite. La vitesse du flux dans les « vallées » entre les crêtes des nervures est basse, donc il y a moins de frottement. Cependant, des tourbillons rapides se forment à la pointe de ces crêtes ; mais comme l’aire des pointes et relativement petite par rapport à la surface totale de l’animal, le frottement total est réduit (Dean & Bhusan, 2010). L’espacement optimal des nervures dépend de la vitesse du mouvement, donc il varie entre espèces de requin.

Opportunités de biomimétisme

De telles découvertes sur la peau de requin ont attisé l’intérêt d’ingénieurs, de technologues et de biologistes qui y ont vu des applications « biomimétiques » potentielles (lorsque des caractéristiques biologiques ont une utilité pour des applications techniques).

Le biomimétisme est souvent un processus descendant. Par exemple, pour résoudre un problème environnemental, il est possible de chercher une solution analogue dans la nature – telle que le développement d’insecticides pyréthrinoïdes, qui ont été inspirés du pyrèthre, un insecticide naturellement présent dans certaines plantes. D’autre part, lors d’un processus ascendant, des systèmes biologiques sont analysés pour identifier des mécanismes ou des structures qui pourraient avoir une application technologique. Les stries des écailles de requin en sont un exemple, puisqu’elles sont aujourd’hui une source d’inspiration pour la création de surfaces aérodynamiques. Les exemples suivants illustrent ces applications.

Requin-marteau – une espèce qui nage rapidement
Christa Rohrnach/Flickr

Feuilles métalliques à nervures sur des avions

En 1989, la fabrique d’avions Airbus a fait une expérience avec les nervures. Ils ont recouvert 70-80% d’un Airbus A380 avec des feuilles métalliques à nervures ayant la forme de triangles aigus. Leurs tests ont montré que les feuilles métalliques réduisent le frottement jusqu’à 8%, ce qui équivaut à une économie de carburant de 1-2% en conditions réelles. Cela permettrait à un vol A380 longue-distance de transporter 4 tonnes de cargo en plus. Plus récemment, un revêtement polymère à nervures a été développé : le motif nervuré est façonné directement dans le revêtement qui est appliqué sur une surface, puis durcit. Cette version a l’avantage d’être plus simple à appliquer sur des surfaces courbes.

Garder la coque des bateaux propre

La coque des bateaux finit souvent recouvertes de bernacles, d’algues et d’autres matériaux. Ce dépôt augmente la résistance et les coûts en carburant pour un trajet donné. Des recherches ont montré que de rendre la surface rugueuse comme les écailles de requin fait une énorme différence, puisque cela réduit la croissance d’organismes encombrants d’environ 60% par an, et permet un nettoyage plus facile (tout en évitant les effets nuisibles à l’environnement de certains additifs anti-dépôt). Tout comme sur un avion, un motif nervuré sur la surface des bateaux peut réduire la résistance de l’eau jusqu’à 10% (Fu et al., 2017).

Nager comme un requin ?

Pour finir, certains nageurs olympiques ont choisi de porter des maillots de bain intégraux faits d’un matériau à la texture nervurée – et ont par la suite gagné des médailles d’or. Bien que l’effet des nervures sur ces victoires soit encore controversé, les maillots intégraux ont été bannis des compétitions sportives en 2010. Alors que les écailles nervurées ont donné aux requins un avantage évolutif, appliquer cet avantage au monde de la natation de compétition est discutable.

Remerciements

Les éditeurs souhaitent remercier Dr. Katharina Sonnen pour ses conseils à propos de cet article.

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References

Web References

  • w1 – Téléchargez l’activité de classe accompagnant cet article dans la section de matériel de support.

Resources

  • Pour découvrir à quelle vitesse les requins nagent et plus encore, voyez le site d’Elasmo research. 
  • Découvrez comment le Groupe Airbus développe une technologie inspirée des écailles de requin : informations disponibles sur le site du Groupe Airbus

Author(s)

Professeur Claas Wegner travaille au Département de Didactique en Biologie à l’Université de Bielefeld en Allemagne. Il est également principal et enseignant en biologie et éducation sportive à l’école secondaire.

Rico Dumcke est un étudiant en master de pédagogie en biologie et latin pour les écoles secondaires, ainsi qu’assistant de recherche au Département de Didactique en Biologie à l’Université de Bielefeld.

Nora Tönnesmann est une étudiante de pédagogie en biologie et anglais pour les écoles secondaires, et elle est également étudiante-assistante dans le Département de Didactique en Biologie à l’Université de Bielefeld.


Review

Cet article crée un lien entre deux disciplines distinctes : l’hydrodynamique (physique) et la biologie. Les caractéristiques morphologiques des requins sont décrites en relation à la dynamique des fluides, ce qui permet aux lecteurs de comprendre comment ces phénomènes différents sont connectés.

L’article contient également des exemples provenant de l’ingénierie, où le développement de nouvelles structures sont inspirées par des adaptations évolutives.


Bartolome Piza Mir, enseignant en science et mathématiques, Espagne




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