A22 Usure des micro/nano structures

Topique

Les soies adhésives de l'insecte subissent une usure mécanique progressive à chaque fois que l'insecte marche sur des surfaces abrasives, et cette usure s'accumule à chaque étape de la locomotion de l'insecte. La loi d'Archard décrit le comportement de cette usure : le volume de champignon perdu est proportionnel à la charge normale que supporte le champignon et à la distance qu'il parcourt en glissant sur la surface, mais il est inversement proportionnel à la dureté de cette surface — ainsi, une surface de roche ou de béton use beaucoup plus les champignons adhésifs qu'une surface de verre lisse.

Chaque fois que cette usure réduit la longueur de la soie adhésive, son point de rigidité optimale change également : une soie plus courte devient plus rigide, et cette plus grande rigidité réduit la capacité de la soie à s'adapter aux irrégularités de la surface sur laquelle marche l'insecte.

Cette même perte de longueur a aussi un effet direct sur l'adhérence du champignon : plus le champignon devient court, plus le rayon de contact qu'il parvient à établir avec la surface est petit - comme le décrit la théorie de Hertz du contact entre surfaces - et l'adhérence diminue plus fortement que la longueur perdue elle-même. Par exemple, un champignon qui se raccourcit à quatre-vingts pour cent de sa longueur initiale ne conserve que soixante-douze pour cent de son adhérence initiale : la perte d'adhérence est proportionnellement plus grande que la perte de longueur qui la provoque.

Aux extrémités des champignons adhésifs, l'usure laisse également une autre marque : des fissures submicrométriques apparaissent qui s'agrandissent à chaque cycle de fatigue, c'est-à-dire à chaque cycle d'adhésion et de détachement que le champignon effectue contre la surface. Ces fissures ne se développent pas à un rythme constant, mais s'accélèrent à mesure que la fissure elle-même s'agrandit, suivant le comportement décrit par la loi Paris-Erdogan : plus une fissure s'est déjà développée, plus elle continue de croître rapidement au cours du cycle suivant.

La croissance accélérée de ces fissures est ce qui définit en fin de compte la durée de vie d'un champignon adhésif : la durée de vie de Coffin-Manson prédit le nombre total de cycles d'adhésion et de détachement que le champignon adhésif peut tolérer avant de tomber en panne, en fonction de l'ampleur de la déformation qu'il subit à chaque cycle. Plus cette déformation par cycle est importante, plus le nombre de cycles que le champignon adhésif peut supporter est faible avant que la fissure qui se développe à son extrémité finisse par le rendre inutile, clôturant ainsi le processus d'usure qui a commencé par le simple frottement du champignon contre une surface abrasive.

ID:2549