Comment les manchots négocient-ils les virages ? | Polarjournal
Les manchots papous du Nagasaki Penguin Aquarium nagent depuis longtemps déjà au service de la science. Photo : Hiroto Tanaka

Sur terre, les manchots semblent maladroits et malhabiles, mais dans l’eau, ils se déplacent avec au moins autant d’habileté et d’acrobaties que leurs cousins volants. Les principes physiques qui sous-tendent leurs mouvements de nage est toutefois très différente de celle des oiseaux en vol. Des chercheurs du Tokyo Institute of Technology viennent de réaliser une nouvelle étude sur la nage curviligne chez les manchots.

Les bases physiques de la nage du manchot ont déjà fait l’objet de quelques études. Cependant, la plupart d’entre eux se sont concentrés sur la nage vers l’avant et non sur les mouvements dans les virages. Les études existantes sur les mécanismes sous-jacents chez les oiseaux volants ne peuvent en tout cas pas être appliquées aux manchots. Comme l’eau est 800 fois plus dense que l’air, la résistance à vaincre est également beaucoup plus grande et nécessite un mouvement différent pour prendre le virage.

Deux physiciens japonais de Tokyo Tech ont donc observé des manchots papous vivant dans l’aquarium de Nagasaki en train de nager. Ils ont voulu comprendre quelle était la cinématique tridimensionnelle ainsi que les forces hydrodynamiques à l’oeuvre qpednat leur nage. Les résultats ont été publiés dans la revue spécialisée Journal of Experimental Biology.

Des marqueurs colorés ont été placés à certains endroits sur les manchots, qui ont servi de points de référence aux chercheurs pour leurs analyses. Photo : Ryoto Tamada

Les deux chercheurs ont installé plus d’une douzaine de caméras sous-marines dans le réservoir d’eau des manchots et ont enregistré les mouvements de nage des animaux, auxquels ils ont ajouté des marqueurs colorés à différents endroits du corps et sur les flippers. Grâce à une technique spéciale, la transformation linéaire directe en 3D, ils ont ainsi pu réaliser des analyses détaillées des mouvements en 3D.

Sur la base de ces données, les chercheurs ont ensuite créé un modèle mathématique du corps des manchots. Ce modèle comprenait l’orientation et les angles du corps, les différentes positions et mouvements des flippers à chaque coup, ainsi que les paramètres cinématiques et les forces hydrodynamiques associés. Des analyses statistiques et des comparaisons avec les données expérimentales ont permis aux chercheurs de comprendre le rôle des ailerons et d’autres mouvements du corps pendant la rotation.

Les principaux résultats de l’étude décrivent comment les manchot génèrent une force centripète pour soutenir leur mouvement dans les virages. Ils y parviennent en partie en maintenant une position inclinée vers l’extérieur. Ils inclinent donc leur corps de manière à ce que leur ventre soit tourné vers l’intérieur. Dans les virages avec propulsion – ceux où le manchot frappe avec les ailerons – la plupart des changements de direction ont lieu pendant le battement vers le haut, alors que la poussée vers l’avant a lieu pendant le battement vers le bas.

Structure expérimentale de l’étude. Graphiques : Harada & Tanaka 2022

De plus, les chercheurs ont constaté que les manchots frappent de manière asymétrique avec les flippers pendant l’exécution du virage. « Nous avons trouvé des différences contralatérales dans le mouvement de l’aile ; l’aile à l’intérieur du virage est plus soulevée que l’autre pendant l’impact », explique Hiroto Tanaka, professeur associé à Tokyo Tech et co-auteur de l’étude. « Des calculs quasi-stationnaires des forces de l’aile ont confirmé que cette asymétrie dans le mouvement de l’aile avec l’inclinaison vers l’extérieur contribue à la génération de la force centripète pendant l’impact. Lors de l’abattée qui suit, l’aile intérieure génère une poussée et un couple de contre-couple pour freiner la rotation ».

Les nouvelles connaissances contribuent à une meilleure compréhension de la locomotion des manchots et sont importantes non seulement d’un point de vue biologique mais aussi technique. En effet, les recherches des deux physiciens sont également à la base d’un robot manchot. Le professeur Tanaka fait toutefois remarquer que ces résultats ne sont qu’une partie du puzzle : « Les mécanismes de plusieurs autres manœuvres chez les manchots, comme l’accélération rapide, la montée et la descente et le saut hors de l’eau, sont encore inconnus. Notre étude sert de base à une meilleure compréhension de ces manœuvres plus complexes ».

Julia Hager, PolarJournal

Image de contribution : Michael Wenger

Lien vers l’étude : Natsuki Harada, Hiroto Tanaka. Analyses cinématiques et hydrodynamiques des manœuvres de retournement chez les manchots : l’affaissement du corps et la remontée des ailes génèrent une force centripète. Journal of Experimental Biology, 2022 ; 225 (24) DOI : 10.1242/jeb.244124

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