Une équipe de chercheurs japonais a mis au point un modèle simulant le mouvement des nageoires caudales des poissons. Ce modèle révèle les mécanismes sous-jacents d’un phénomène couramment observé chez les poissons : la synchronisation du mouvement de leurs nageoires caudales, leur permettant d’économiser de l’énergie.
« Une hypothèse de longue date sur les poissons nageurs est qu’ils exploitent le flux de vortex généré par d’autres poissons pour économiser de l’énergie », explique le co-auteur de l’étude Susumu Ito de l’Université de Tohoku. « Ils travaillent en tandem pour utiliser la rue de vortex de Kármán inversée et ajustent leurs nageoires caudales en conséquence. »
La dynamique des fluides et les poissons
Dans la dynamique des fluides, un vortex de Kármán est un courant tourbillonnant qui se forme derrière un objet en mouvement à travers un fluide. Dans la version inversée, les vortex ont une direction de rotation opposée.
Pour élucider davantage ces mécanismes, les chercheurs ont développé un modèle théorique unique qui prend en compte non seulement les mouvements réguliers musculaires et l’impact des forces de l’eau, mais aussi les variations naturelles, comme les facteurs physiologiques, qui peuvent affecter la façon dont les poissons se déplacent. Cela a permis au modèle de reproduire de manière plus détaillée la façon dont les poissons coordonnent naturellement leurs actions.
Les résultats des simulations numériques
Après avoir effectué des simulations numériques, Susumo Ito et son équipe ont réussi à reproduire la synchronisation des nageoires caudales et à démontrer qu’elle entraîne une réduction significative de la dissipation d’énergie pour une paire de poissons à des distances inférieures à la moitié de la longueur du corps.
Les résultats suggèrent également que le timing typique des mouvements des nageoires entre deux poissons ne conduit pas à la méthode la plus optimale pour conserver l’énergie.
De plus, le modèle a reproduit certaines propriétés fondamentales de la nage en solo, comme la relation entre la vitesse de nage et la fréquence des battements de la queue. Le modèle s’applique également à diverses espèces de poissons qui nagent avec un style carangiforme ou subcarangiforme, comme le maquereau, la truite, le saumon, la carpe et le poisson rouge.
Des applications au-delà de la biologie marine
« Nous avons éclairé la dynamique de la synchronisation chez les espèces biologiques, qui peut également être appliquée à d’autres créatures vivantes telles que les oiseaux, les animaux, les bactéries, et même les eucaryotes unicellulaires », ajoute Susumo Ito. « Les avantages s’étendent également à la robotique ; la découverte pourrait aider à trouver de nouvelles stratégies d’économie d’énergie pour les groupes de drones se déplaçant en coordination. »
En synthèse
Cette recherche a permis de développer un modèle unique simulant le mouvement des nageoires caudales des poissons. Ce modèle a permis de comprendre comment les poissons synchronisent leurs mouvements pour économiser de l’énergie. Les résultats de cette recherche ont des implications non seulement pour la compréhension de la biologie marine, mais aussi pour d’autres domaines tels que la robotique, où les principes de synchronisation et d’économie d’énergie peuvent être appliqués.
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Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le modèle développé par les chercheurs de l’Université de Tohoku ?
C’est un modèle qui simule le mouvement des nageoires caudales des poissons, permettant de comprendre comment ils synchronisent leurs mouvements pour économiser de l’énergie.
Qu’est-ce qu’un vortex de Kármán ?
Un vortex de Kármán est un courant tourbillonnant qui se forme derrière un objet en mouvement à travers un fluide. Dans la version inversée, les vortex ont une direction de rotation opposée.
Quels sont les résultats des simulations numériques ?
Les simulations ont permis de reproduire la synchronisation des nageoires caudales et de démontrer qu’elle entraîne une réduction significative de la dissipation d’énergie pour une paire de poissons à des distances inférieures à la moitié de la longueur du corps.
Quelles espèces de poissons le modèle peut-il simuler ?
Le modèle s’applique à diverses espèces de poissons qui nagent avec un style carangiforme ou subcarangiforme, comme le maquereau, la truite, le saumon, la carpe et le poisson rouge.
Quelles sont les applications potentielles de cette recherche ?
Les principes de synchronisation et d’économie d’énergie découverts peuvent être appliqués à d’autres domaines, tels que la robotique, pour développer de nouvelles stratégies d’économie d’énergie pour les groupes de drones se déplaçant en coordination.
Les détails de cette recherche ont été publiés dans la revue Physics of Fluids le 2 novembre 2023.
Title: Vortex phase matching of a self-propelled model of fish with autonomous fin motion
Authors: Susumu Ito and Nariya Uchida – Journal: Physics of Fluids – DOI: 10.1063/5.0173672
