Jerry Seinfeld a lancé sa carrière avec Bee movie, un long métrage d’animation sur le thème des insectes qui a pris le monde d’assaut en 2007. Il a posé le dilemme – que, selon toutes les lois connues de l’aviation, les abeilles ne devraient pas être capables de voler. Malgré cela, l’abeille vole de toute façon, car les abeilles ne se soucient pas de ce que les humains pensent être impossible.

La citation n’est facilement attribuée à personne en particulier, mais est un récit édifiant sur le fait de faire de mauvaises hypothèses dans un contexte d’ingénierie. Oui, si vous modélisez une abeille en utilisant les mêmes calculs qu’un avion de ligne, vous constaterez bien sûr qu’elle ne devrait pas être capable de voler. Ses petites ailes ne peuvent pas générer suffisamment de portance pour faire décoller son corps du sol. Mais c’est parce que l’hypothèse est erronée – parce que les abeilles ne volent pas de la même manière que les avions. Les abeilles battent des ailes. Mais ce n’est que le début. La vérité est bien plus complexe et intéressante!

Ailes battantes et décrochage dynamique

Visualisation de la fumée d’un papillon de nuit. Éliminer les mystères du vol des ailes battantes a nécessité un travail extrêmement difficile pour visualiser des régimes d’écoulement tridimensionnels complexes autour de minuscules insectes non coopératifs. ((Willmott, Ellington et Thomas, 1997)

Les avions réguliers ont des ailes fixes qui sont, à toutes fins utiles, relativement rigides. Il y a une certaine flexibilité structurelle, mais d’un point de vue aérodynamique, cela n’a pas d’effet significatif. Ces ailes génèrent de la portance lorsqu’elles se déplacent dans l’air à grande vitesse, grâce à leur forme de profil aérodynamique. Augmentez l’angle de l’aile par rapport au flux d’air, par exemple, en cabrant l’avion, et l’aile générera plus de portance. Cet angle est appelé le angle d’attaque. Augmentez-le trop loin, et le flux se séparera de l’aile, et il cessera complètement de produire de la portance. C’est ce qu’on appelle un paralyser. Sans ascenseur, les avions tombent du ciel.

Les abeilles, comme les oiseaux et de nombreux insectes, n’ont pas d’ailes fixes – au lieu de cela, elles battent des ailes pour générer à la fois la propulsion et la portance. Les ailes sont battues dans un mouvement incroyablement complexe, l’aile tournant tout au long de la course descendante et montante afin de maximiser l’efficacité. La clé pour créer une portance élevée avec une aile battante réside dans une variété de mécanismes fluides complexes.

Le vortex de bord d’attaque, tel que visualisé sur un modèle d’un hawkmoth en vol stationnaire. Notez comment le vortex du bord d’attaque reste attaché à l’aile lors de la course descendante de (a) à (b). (van den Berg, Ellington 1997)

Le premier est la génération d’un puissant vortex de bord d’attaque grâce à un phénomène connu sous le nom de décrochage dynamique, ou absence de décrochage. C’est là que l’aile est à un angle d’attaque incroyablement élevé lors de la course descendante et ascendante, ce qui provoque la séparation du flux d’air au-dessus de l’aile, générant un grand vortex attaché au bord d’attaque de l’aile. Ce vortex reste attaché à l’aile, grâce aux caractéristiques d’écoulement générées le long de l’envergure de l’aile, à peu près de la même manière que les ailes delta fonctionnent sur les avions. En maintenant ce vortex attaché, l’aile est capable de générer une portance élevée grâce à la différence de pression à travers l’aile qui serait autrement absente si le vortex était autorisé à se dissiper.

Le second est lié aux effets de rotation. Il est possible de faire pivoter l’aile avant de changer la direction de la course, pendant le changement de direction de la course ou après avoir changé la direction de la course. Lorsque l’aile tourne, ce mouvement ajoute à la circulation dans les vortex existants autour de l’aile. En faisant cela avant un changement de course, la circulation supplémentaire dans l’air crée une augmentation de la portance générée par l’aile; le faire après crée une force de levage négative. Le faire symétriquement crée des pics de portance positifs et négatifs tout au long du battement d’aile complet. En faisant varier le point de rotation, il est possible de faire varier la génération de portance sur chaque volet des ailes.

Un diagramme montrant la différence de performance aérodynamique des ailes pendant les régimes de rotation avancés, symétriques et retardés. Les lignes noires représentent l’aile, le point indiquant le bord d’attaque. Les flèches rouges indiquent la magnitude et la direction des forces instantanées sur l’aile. Ces données ont été collectées avec un modèle d’aile battante robotique. (Dickinson, Lehmann et Sane, 1999)

D’autres mécanismes complexes ont également été observés chez divers types d’insectes et d’oiseaux, de nombreuses espèces affichant des techniques de battement uniques et variées. Une technique observée chez les papillons est celle de l’interaction aile-sillage. Un sillage est un régime d’écoulement vu dans un fluide derrière un objet en mouvement; le plus souvent observé par les humains comme le flux changeant derrière un bateau voyageant dans l’eau. Cela existe également pour les ailes en l’air. Dans l’interaction aile-sillage, le mouvement de l’aile pendant le battement crée une interaction entre le flux de l’aile et le sillage émis par le mouvement de battement précédent. Comme le sillage dans l’air consiste en un fluide en mouvement à cause du battement des ailes, interagir avec ce sillage pour générer plus de portance permet à l’insecte de récupérer une partie de l’énergie déjà dépensée pour améliorer son efficacité.

Un autre mécanisme couramment cité est le «clap and fling», où les ailes de chaque côté d’un insecte sont battues ensemble au sommet de la course ascendante, expulsant l’air entre elles qui aide à générer une poussée, avant de se séparer pour commencer la course descendante. Au fur et à mesure que les ailes se détachent, elles créent une zone de basse pression entre elles qui aspire l’air et aide à développer la circulation pendant la course descendante. Cependant, cette méthode n’est pas utilisée par toutes les espèces, et n’est utilisée que dans certains régimes de vol, elle n’est donc pas un élément critique du vol régulier des ailes battantes.

Dans l’ensemble, la mécanique des fluides derrière le vol des ailes battantes est incroyablement complexe. Une compréhension de base de la mécanique des fluides est même nécessaire pour analyser cet explicatif très simple, sans parler de vraiment plonger dans le sujet. Le vol des ailes battantes n’est pas encore complètement compris et constitue un domaine de recherche en cours dans le monde entier. L’une des raisons en est le niveau élevé de difficulté qu’implique l’étude de ces phénomènes.

En particulier en ce qui concerne le vol des insectes, les régimes d’écoulement sont minuscules et difficiles à visualiser. Cela a conduit à des techniques telles que la construction d’analogues robotiques de systèmes d’ailes d’insectes à plus grande échelle et le déplacement des surfaces des ailes à travers des réservoirs d’huile minérale pour mieux voir et comprendre les mécanismes en jeu. Cela permet d’utiliser des techniques telles que la visualisation de colorants, ce qui donne un aperçu des régimes d’écoulement tridimensionnels complexes. D’autres travaux consistent à étudier les oiseaux, qui sont plus gros et plus faciles à observer, et à faire fonctionner des modèles informatiques. Cependant, il est toujours nécessaire d’étudier directement la chose réelle pour confirmer toute théorie.

Indépendamment de la complexité, le vieil adage selon lequel «les abeilles ne peuvent pas voler» est prouvé faux, et enraciné davantage dans des hypothèses d’ingénierie inappropriées que n’importe quel paradoxe physique majeur. Comme toujours, lorsque vous exécutez des simulations, il est avantageux de vous assurer que vous modélisez la bonne chose dès le départ.