E8 Hydrodynamique des hauts-fonds

Topique

L'hydrodynamique des hauts-fonds décrit comment l'interaction entre les champs d'écoulement générés par chaque poisson, lorsque plusieurs poissons nagent à proximité les uns des autres, peut réduire le coût énergétique individuel de chacun et créer des structures de tourbillon collectives qui profitent aux poissons nageant en aval des autres. Ce phénomène est l'équivalent aquatique du sillage dont profitent les cyclistes lorsqu'ils roulent en meute : un poisson qui nage dans le sillage d'un autre peut profiter des tourbillons que cet autre poisson laisse derrière lui pour extraire de l'énergie du fluide, au lieu de gaspiller sa propre énergie en la déposant dans le fluide comme cela se produit lors d'une nage normale.

Lorsqu'un poisson nage dans le sillage de tourbillons contrarotatifs laissés par un autre poisson, et s'il se positionne correctement dans ce sillage, il peut adopter un mode de nage appelé Kármán-gaiting : il synchronise le mouvement de sa propre nageoire caudale avec la fréquence des vortex dans le sillage, en extrayant de l'énergie de la même manière qu'un surfeur extrait l'énergie d'une vague au lieu d'avoir à générer son propre élan.

Cet effet hydromécanique d'extraction d'énergie du sillage du poisson leader nécessite que deux conditions soient réunies à la fois : que la distance entre les deux poissons soit maintenue dans une plage optimale, comprise entre trois et cinq dixièmes de la longueur du corps lui-même, et que la fréquence de battement du poisson suivant soit synchronisée, en phase, avec les tourbillons du sillage laissés par le poisson leader.

La réduction du coût de transport obtenue par le poisson suiveur grâce à cette formation de bancs peut être modélisée avec la théorie du potentiel appliquée à l'interaction entre tourbillons : la vitesse que les tourbillons dans le sillage du poisson leader induisent sur le poisson suiveur augmente la vitesse d'avancement effective de ce dernier sans lui coûter d'énergie supplémentaire, réduisant son coût de transport entre dix et quarante pour cent par rapport à ce qu'il lui en coûterait pour nager seul.

Lorsque ce même effet se répète parmi tous les poissons du banc, le tourbillon collectif qui en résulte n'est plus limité à l'échelle d'un seul poisson, mais forme des structures cohérentes à une échelle supérieure à la longueur de tout poisson individuel, et ces structures affectent le champ de pression de l'ensemble du groupe, pas seulement celui des paires leader-suiveur considérées individuellement.

Le comportement attendu au sein de cette hydrodynamique de banc est que la position la plus avantageuse pour un poisson au sein du banc n'est pas celle directement derrière le poisson leader, mais plutôt une position décalée latéralement et légèrement en arrière de lui, située sur le flanc des tourbillons de son sillage, là où la vitesse induite sur le poisson suiveur atteint sa valeur maximale.

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