Les nervures médianes des plumes des ailes changent de forme de circulaire à carrée, ajoutant de la force sans ajouter de matière.

Introduction

Alors qu'un bref coup d'œil sur le monde construit par l'homme révélera de nombreux coins à 90 degrés (livres, matelas, bureaux, portes, briques, l'ordinateur sur lequel vous lisez ceci, etc.), un regard similaire sur le reste de la nature donne beaucoup moins de ces coins. Les gens pourraient même commencer à supposer que les coins carrés n’existent pas du tout dans le monde naturel. Mais en fait, ils le sont, qu’il s’agisse de queues d’hippocampes, de tiges de menthe ou (étrangement) de crottes de wombats. Le fait que les coins soient relativement rares dans la nature suggère que quelque chose d’intéressant se passe lorsqu’ils apparaissent.

L’un des exemples les plus marquants de coins dans la nature est le rachis carré, ou nervure médiane, des rémiges des oiseaux. Les rémiges ont une section transversale circulaire à l'endroit où elles émergent de la peau de l'oiseau. Mais progressivement, leur section transversale devient carrée en direction du bout de l’aile. Pourquoi ce changement de forme ?

La stratégie

Les rémiges subissent de fortes forces de flexion lorsqu’un oiseau tire son aile de haut en bas contre l’air. La rigidité de la plume face à ces forces de flexion est largement déterminée par la quantité de matière présente dans son rachis, ou nervure médiane.

Fabriquées à partir de kératine, les plumes poussent un peu comme des cheveux humains, émergeant d'un follicule de la peau. Une section circulaire à ce point de contact évite une accumulation inégale de pression contre la peau de l'oiseau. Les formes de tubes circulaires flexibles (telles que les pailles en plastique) se déforment facilement sous la contrainte. Ainsi, pour que la plume puisse résister à une utilisation en vol, elle doit être renforcée. Une solution pourrait consister simplement à ajouter davantage de matériau, transformant ainsi la « paille » en « tuyau de plomb ». Mais comme les plumes poussent à partir de la base (et non de la pointe), les oiseaux ne peuvent pas simplement ajouter de la matière le long de la nervure médiane. C’est pourquoi ils modifient plutôt la forme de la nervure médiane.

À mesure que la pointe du trait s’étend vers l’extérieur du follicule, la kératine se remodèle d’une section transversale circulaire à une section transversale carrée. Cela ajoute de la robustesse car la forme carrée place plus de matériau dans la direction dans laquelle la flexion se produirait (dans ce cas, de haut en bas). De même, dans un bâtiment ou un pont, une poutre en I atteint une plus grande rigidité sans augmenter le matériau en plaçant une plus grande partie de son matériau au-dessus et en dessous de la ligne centrale de la poutre.

Au fil du temps, les éléments à section circulaire peuvent s'ovalisation sous l'effet d'une charge dynamique, ce qui les rend de plus en plus vulnérables au flambage et à d'autres problèmes. Birds présente un modèle éprouvé pour concevoir de tels éléments afin de résister efficacement aux charges, avec un minimum de matériau, en utilisant des processus réalisables.

Le potentiel

Les poutres circulaires à carrées, ancrées à une seule extrémité, ont de nombreuses applications technologiques. Ils sont de plus en plus utilisés par les humains, par exemple dans les robots ailés et les technologies de récupération d'énergie.

La nature est en effet merveilleuse. Et c’est tellement beau de regarder la nature avec la connaissance humaine. Dr Bin Wang, Programme de science et d'ingénierie des matériaux du professeur MA Meyers. Département de génie mécanique et aérospatial, Université de Californie à San Diego
Dernière mise à jour le 11 septembre 2023