E3 Modes de natation et nombre de Reynolds

Topique

Les modes de nage des poissons sont classés selon deux critères : la partie du corps qui participe activement à la propulsion et le régime d’écoulement, caractérisé par le nombre de Reynolds. Ce dernier compare les forces d’inertie du fluide à ses forces visqueuses et dépend de la vitesse de nage, de la taille du poisson et de la viscosité de l’eau : lorsque le nombre de Reynolds est inférieur à un, la viscosité du fluide est prédominante, comme chez les larves de poissons ou lors de la nage avec une queue flagellée ; entre un et mille, l’écoulement est en régime transitoire ; et lorsque le nombre de Reynolds dépasse mille, les forces d’inertie dominent et l’hydrodynamique classique de génération de vortex, décrite dans un modèle précédent de cet ouvrage, s’applique.

Outre ce régime d'écoulement, la classification cinématique des modes de nage distingue les modes utilisant le corps et la nageoire caudale, où l'ondulation se propage de la tête ou du milieu du corps vers la queue, et les modes utilisant les nageoires médianes et paires, où les nageoires pectorales, dorsales ou pelviennes génèrent la poussée tandis que le reste du corps demeure rigide.

Parmi les modes utilisant le corps et la nageoire caudale, on observe un large éventail de variations selon la partie du corps participant à l'ondulation : le mode anguilliforme, caractéristique de l'anguille, propage une onde de grande amplitude sur tout le corps ; le mode subcarangiforme, caractéristique de la truite, concentre cette ondulation dans le tiers postérieur du corps ; le mode carangiforme, caractéristique du maquereau, n'utilise que le pédoncule caudal et la nageoire caudale elle-même. Le mode tuniforme, caractéristique du thon, maintient le corps parfaitement rigide et limite tout mouvement ondulatoire à un battement de la nageoire caudale à nombre de Strouhal élevé.

Dans tous ces modes de nage, la vitesse de propagation de l'onde cinématique le long du corps du poisson doit être supérieure à sa vitesse de nage propre pour qu'il y ait une propulsion nette vers l'avant ; le rapport entre la vitesse de nage et la vitesse de cette onde cinématique définit précisément l'efficacité cinématique du mode de nage. Dans le cas limite où la vitesse de nage est égale à la vitesse de l'onde cinématique, aucune propulsion n'est possible et le corps ondulant du poisson se déplace simplement sans générer de propulsion nette, comme ce serait le cas pour une anguille ondulant son corps en mode de déplacement pur sans avancer.

Le comportement attendu dans ce spectre de modes de nage est que les modes plus concentrés dans la nageoire caudale, comme le mode tuniforme, sont plus efficaces à grande vitesse, tandis que les modes qui ondulent tout le corps, comme le mode anguilliforme, sont plus maniables à faible vitesse et dans un régime de nombre de Reynolds modéré, le même nombre de Reynolds qui a été introduit au début de ce modèle comme l'un des deux critères qui classent les modes de nage des poissons.

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