Des chercheurs découvrent comment les canards nageurs égalisent la pression de l’eau dans leurs plumes pendant la plongée


canards nageurs

Crédit photo : Pixabay / domaine public CC0

Une équipe d’étudiants dirigée par Jonathan Boreyko, professeur agrégé de génie mécanique à Virginia Tech, a la méthode par laquelle les canards suspendent l’eau dans plumes lorsqu’ils plongent et leur permettent de la secouer lorsqu’ils font surface. La découverte ouvre la porte aux applications de génie maritime. Les résultats ont été publiés dans Matériaux et interfaces appliqués ACS.

Boreyko a un travail approfondi en mécanique fluides, y compris l’invention d’une harpe de brouillard et l’utilisation de vapeur piégée et recirculée comme dispositif de refroidissement. Bien que ses recherches aient progressé au cours de la dernière décennie, la mécanique de l’assèchement des canards a été l’un de ses projets les plus anciens.

« J’ai eu cette idée quand j’étais à l’Université Duke », a déclaré Boreyko. « J’avais un très mauvais parking, mais ma promenade m’a conduit à travers les pittoresques Duke Gardens. J’ai passé des étangs avec beaucoup de canards et j’ai remarqué que si un canard sortait de l’eau, il secouerait ses plumes et l’eau s’envolerait. J’ai réalisé que ce qu’ils faisaient était une transition drainante qui libérait de l’eau qui était en partie dans leurs plumes. C’était le cœur de l’idée. Dans mes recherches, j’ai étudié la même chose purement par hasard. J’ai réalisé que ces transitions ne fonctionnent que si l’eau n’est pas autorisée à pénétrer jusqu’au fond de la structure poreuse de la source. « 

Boreyko restait intrigué par la façon dont l’équilibre s’était établi et était curieux des mécanismes qui permettent à un canard de retenir l’eau dans ses plumes sans couler complètement. Il a amené Farzad Ahmadi dans son laboratoire en tant que doctorant en 2014 et a partagé cette intrigue lors de l’une de leurs premières réunions. Ahmadi a repris le projet et s’est plongé dans les subtilités. Leur première approche était simple – ils ont essayé de pousser une seule goutte d’eau à travers une plume de canard naturelle.

« Cela n’a pas fonctionné », a déclaré Ahmadi. « Ensuite, nous avons eu l’idée de construire une chambre de pression pour presser une flaque d’eau à travers plusieurs couches de sources. »

Vide

L’équipe devait d’abord s’assurer que l’eau ne pouvait passer qu’à travers les plumes, plutôt que de simplement lécher leurs bords extérieurs. Pour y parvenir, ils ont scellé un ressort à la fois, ne laissant qu’une petite zone exposée. Les chercheurs ont scellé chaque couche, laissant une zone exposée au même endroit sur chaque surface. Cela leur a permis de créer une colonne de surfaces de ressort exposées à travers la pile. Une mince flaque d’eau a été versée sur la surface supérieure exposée. La cheminée était placée dans une chambre sous pression et la pression du gaz était utilisée pour faire descendre l’eau à travers les sources. Une caméra a été installée au sol pour observer l’eau s’écouler à travers les couches.

Les plumes ont des ouvertures microscopiques, de minuscules fentes à travers lesquelles l’eau sous pression peut passer. Un canard assis à la surface d’un étang n’a pas de pression d’eau, la pénétration d’eau est donc négligeable. Cependant, un canard plongeant subit une augmentation constante de la pression hydrostatique, ce qui est familier à quiconque plonge dans le fond d’un réservoir.

Ahmadi a découvert qu’à mesure que le nombre de couches de plumes augmente, la pression requise pour forcer l’eau à traverser toutes les couches doit également augmenter. Cela établit une sorte de ligne de base, une pression maximale jusqu’à laquelle les plumes retiennent l’eau à l’intérieur mais empêchent l’eau de pénétrer dans la peau d’un canard.

« Notre hypothèse était d’utiliser plusieurs couches de plumes pour que l’eau ne pénètre que partiellement, mais en dessous il y a des poches d’air », a expliqué Boreyko. « Tant que ces poches d’air sont présentes, cela empêche ce que l’on appelle un mouillage irréversible. Tant que le mouillage n’est que partiel, vous pouvez le secouer lorsque vous faites surface. »

Ahmadi a également découvert que les espèces de canards ont tendance à avoir le nombre exact de couches de plumes nécessaires pour éviter un mouillage irréversible leurs plongées. Un colvert, par exemple, a quatre couches de plumes. La profondeur maximale à laquelle plonge un canard colvert typique équivaut à la pression hydrostatique pénétrant un tas de trois plumes, mais pas quatre. De cette façon, au moins une couche de plumes reste sèche après une plongée, afin que le canard puisse secouer l’eau en refaisant surface.

Concevoir des ressorts synthétiques

Après que l’équipe de Boreyko ait établi les mécanismes de base de l’assèchement des canards, ils ont entrepris de développer un matériau synthétique qui fonctionnerait de la même manière. L’équipe a fabriqué des plumes bio-inspirées à partir d’une fine feuille d’aluminium et a découpé au laser une série de fentes d’un dixième de millimètre de large pour imiter les barbes d’une plume de canard. Ils ont également recréé la nanostructure velue des plumes en ajoutant une nanostructure en aluminium aux barbules en aluminium.

Les ressorts synthétiques ont donné des résultats presque identiques pendant le test, grâce à la force de la conception de la nature. L’application et la mise à l’échelle de cette technologie sont une prochaine étape logique pour Boreyko, et il a quelques idées.

Cet effet de stratification peut être utile pour piéger les poches d’air dans les membranes de dessalement, des mécanismes qui éliminent le sel de l’eau de mer. Boreyko pense également qu’il est possible de placer des ressorts synthétiques superposés à l’extérieur d’un bateau pour faciliter le déplacement du bateau dans l’eau et réduire la quantité d’organismes ressemblant à des balanes accrochés à la coque.

« Si nous considérons un navire se déplaçant sur l’eau comme un oiseau artificiel, il nage actuellement nu », explique Boreyko. « Nous nous demandons si le fait de revêtir le navire de plumes pourrait apporter les mêmes améliorations dont bénéficient les oiseaux aquatiques. »


les cormorans émergent à sec après des plongées profondes


Avec l’aimable autorisation de Virginia Tech

Citation: Des chercheurs apprennent comment les canards égalisent la pression de l’eau dans leurs plumes pendant la plongée (2021, 2 juin), consulté le 6 juin 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-06-ducks-pressure-feathers.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Sauf pour le commerce équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif seulement.

Laisser un commentaire