La forme des écailles fait que le flux d'eau traverse la peau du poisson, réduisant la turbulence et minimisant la traînée.

Introduction

Les avions, les sous-marins et les voitures sont conçus avec des matériaux lisses car ils ont moins de traînée que les matériaux rugueux. Droite? En fait, c'est peut-être une histoire de poisson - selon, eh bien, la plupart des poissons. Environ 25,000 XNUMX espèces de poissons osseux ont une peau écailleuse adaptée qui, selon de nouvelles recherches, réduit la traînée.

La stratégie

Le professeur Christoph Bruecker et l'étudiant diplômé Muthukumar Muthuramalingam de la City University of London ont mené deux études qui indiquent que la rugosité des écailles de poisson n'agit pas comme la rugosité typique d'autres matériaux. Bien que la forme et la taille varient selon les espèces, les écailles de poisson sont essentiellement des rangées de bosses en forme de coquillage qui se chevauchent. Les pics des écailles cahoteuses créent des sillages d'eau plus lente derrière eux. Les côtés superposés des écailles forment des vallées où la majeure partie de l'eau s'engouffre. Ainsi, lorsqu'un poisson nage, il a des bandes alternées de "bas débit" derrière les pics d'échelle et de "haut débit" derrière les vallées.

 

Several images of fish scales from a variety of fish and a sketch showing the staggered velocity profile across fish scales
Image : Muthukumar Muthuramalingam / CC BY - Attribution Creative Commons seule

Écailles de poisson de (A) Etroplus (Etroplus suratensis), (B) Carpe Mrigal (Cirrhinus cirrhosus), (C) Tilapia (Oreochromis niloticus). (D) Rohu (Labeo rohita) et (E) Catla (Labeo catla). (F) montre le profil strié qui se produit sur les écailles de poisson, le rouge indiquant les régions à faible débit et le bleu indiquant les régions à haut débit.

C'est ce motif strié qui empêche les écailles de se comporter comme une surface rugueuse typique, car il maintient le flux à travers le poisson, comme le flux doux d'un ruisseau. Les physiciens appellent cela un flux «laminaire», ce qui signifie que le fluide s'écoule en flux parallèles, ou stratifications, au lieu de tourbillonner et d'interférer. Son contraire, le flux turbulent, est comme une rivière jaillissante qui bouillonne autour des rochers, tourbillonnant et se mélangeant. Il est logique qu'il soit plus facile pour un poisson de nager à contre-courant d'un ruisseau qui clapote que d'une rivière tumultueuse. Mais cette recherche ne porte pas sur la laminarité ou la turbulence de la masse d'eau. Il s'agit de l'écoulement juste à côté de la peau d'un poisson nageur, dans une zone appelée "la couche limite".

Bruecker explique qu'un poisson nageant dans un océan ne perturberait pas l'eau à 100 pieds de distance, et cette eau lointaine ne contribue pas non plus à la friction que le poisson doit surmonter pour avancer. Même l'eau à quelques centimètres a peu d'impact. C'est le volume critique d'eau d'un millimètre d'épaisseur juste contre la peau d'un poisson qui provoque la traînée.

Si l'écoulement dans cette mince couche limite devient turbulent, dit Bruecker, la traînée de frottement augmente de près de cinq fois. Ainsi, les écailles maintiennent une faible traînée en maintenant un flux laminaire uniforme à travers le corps du poisson. Dans une expérience, les chercheurs ont utilisé un colorant pour visualiser le flux sur une plaque plate et lisse et l'ont comparé à une surface à l'échelle. À travers la plaque lisse, le flux s'est rapidement décomposé en tourbillons et mélanges turbulents car aucune structure n'était présente pour l'égaliser. En revanche, des stries rouges sur la surface écaillée indiquaient qu'un profil laminaire était préservé sur une distance beaucoup plus longue que la plaque lisse. Bien sûr, comme un poisson nage de plus en plus vite, le flux finira par devenir turbulent. Mais les échelles retardent la transition.

A comparison of velocity profiles seen with flow across a flat disc compared to a scaled surface
Image : Muthukumar Muthuramalingam / CC BY - Attribution Creative Commons seule

Dans l'image du haut, l'écoulement est de gauche à droite parallèle à une plaque plane, montrant comment le profil passe rapidement de laminaire (écoulement strié) à turbulent (écoulement mixte). L'image du bas capture le même débit et la même distance parcourue mais sur une surface mise à l'échelle, montrant comment les échelles préservent le flux laminaire strié sur une distance beaucoup plus longue.

Il s'agit d'économiser l'énergie locomotionnelle. Christoph Brucker, Professeur à la City University de Londres

En cherchant plus de détails, les scientifiques ont découvert que ce n'est pas seulement la forme des écailles, mais leur taille qui détermine le flux dans la couche limite. Pour égaliser l'écoulement, les hauteurs des bosses d'échelle doivent être faibles par rapport à l'épaisseur de la couche limite. Si les écailles s'étendaient trop loin, elles agiraient comme une surface rugueuse traditionnelle, mélangeant de l'eau et ajoutant de la traînée. Ainsi, les nageurs plus rapides, qui ont des couches limites plus minces, ont besoin de hauteurs d'échelle plus petites. Les chercheurs pensent que cela pourrait expliquer pourquoi certains nageurs rapides, comme le thon, ont des écailles plus petites que les nageurs plus lents comme la carpe.

L'une des principales conclusions de la recherche était que le fait de retarder la transition vers un écoulement turbulent sur des surfaces écaillées peut réduire la traînée jusqu'à 27 % par rapport aux surfaces lisses. Pourquoi est-ce important pour un poisson ? « Il s'agit d'économiser l'énergie de locomotion », explique Bruecker. Une nage plus efficace permet aux poissons de couvrir de plus longues distances avec moins de nourriture.

Le potentiel

L'intégration d'échelles dans la conception des matériaux pourrait également aider les humains à consommer moins de carburant. Les revêtements entartrants dans les tuyaux pourraient réduire les pertes par frottement le long des pipelines. La gravure d'écailles sur les surfaces des avions, des sous-marins et des voitures pourrait également améliorer l'efficacité énergétique et réduire les émissions de gaz à effet de serre. Beaucoup pensent qu'il n'y a pas de plus gros poisson à frire que de lutter contre le changement climatique. Les écailles de poisson pourraient bien aider.

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Dernière mise à jour 8 avril 2021