M6 Locomotion Aquatique

Topique

Les mammifères aquatiques se propulsent dans l'eau de deux manières distinctes : par propulsion des membres, comme les loutres et les castors, ou par propulsion ondulatoire du corps entier, comme les cétacés et les phoques.

Dans les deux modes de propulsion, la résistance hydrodynamique opposée au mouvement du corps par l'eau est proportionnelle au carré de la vitesse de nage. Cette résistance hydrodynamique représente la part prépondérante du coût énergétique de la nage, bien plus que tout autre facteur.

Pour réduire cette résistance hydrodynamique, les cétacés ont développé des formes fusiformes, des corps allongés et effilés aux deux extrémités qui minimisent la résistance de l'eau. Grâce à cette forme fusiforme, le coefficient de traînée d'un cétacé atteint des valeurs très faibles, comparables à celles d'un poisson — l'un des coefficients de traînée les plus bas parmi les organismes se déplaçant dans l'eau.

En plus d'augmenter avec le carré de la vitesse, la résistance hydrodynamique fait que la puissance nécessaire pour la vaincre augmente avec le cube de la vitesse de nage : plus l'animal nage vite, plus la puissance requise pour cette même augmentation de vitesse augmente rapidement. C'est cette relation marquée qui explique que la vitesse de nage optimale soit bien inférieure à la vitesse maximale que l'animal pourrait atteindre lors d'un effort bref et intense.

Chez les mammifères qui se propulsent par ondulation du corps, comme les cétacés et les phoques, la poussée vers l'avant est principalement générée par l'oscillation de la nageoire caudale, un mouvement décrit par la même théorie du battement d'ailes qui explique comment une aile en mouvement génère une force propulsive et non une simple portance.

L'efficacité avec laquelle cette oscillation de la nageoire caudale convertit la puissance musculaire en poussée est déterminée par le nombre de Strouhal, le même paramètre sans dimension qui compare la fréquence et l'amplitude de chaque cycle d'oscillation à la vitesse de déplacement de l'animal. Lorsque le nombre de Strouhal se situe entre 0,2 et 0,4, l'efficacité de propulsion de Froude atteint ses valeurs maximales, entre 0,85 et 0,95, très proches du maximum théorique. La plongée profonde présente à ces mêmes mammifères aquatiques un défi physiologique supplémentaire, distinct de la résistance hydrodynamique : lors de la descente, la pression croissante de l'eau comprime les poumons selon la loi de Boyle, qui décrit également la diminution du volume d'un gaz lorsque la pression environnante augmente. Pour maintenir l'effort de plongée malgré cette compression pulmonaire, l'animal utilise l'oxygène stocké avant l'immersion dans l'hémoglobine de son sang et la myoglobine de ses muscles, au lieu de respirer pendant la plongée.

Pour revenir au coût énergétique de la nage, la vitesse optimale est celle qui minimise le coût de transport, c'est-à-dire l'énergie dépensée par unité de distance parcourue. Cette vitesse optimale résulte d'un équilibre entre deux coûts évoluant en sens inverse : à faible vitesse, le coût métabolique basal domine le coût de transport, car l'animal dépense une énergie basale quasi constante quelle que soit sa vitesse de nage ; à vitesse élevée, en revanche, la résistance hydrodynamique – qui augmente avec le cube de la vitesse – devient prépondérante. Le coût de transport atteint son minimum précisément lorsque la résistance hydrodynamique représente un tiers du coût total de la nage.

Cette vitesse de nage optimale, déterminée par l'équilibre entre le coût métabolique basal et une résistance hydrodynamique qui croît avec le cube de la vitesse, est celle qu'un mammifère aquatique adopte effectivement lors d'un long déplacement, qu'il se propulse par ses membres comme la loutre et le castor, ou par ondulation du corps et de la nageoire caudale comme les cétacés et les phoques. C'est également cette vitesse que l'animal doit temporairement abandonner lorsqu'une plongée profonde l'oblige à gérer la compression pulmonaire et ses réserves d'oxygène (hémoglobine et myoglobine) plutôt que le coût de transport lié à son déplacement horizontal.

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