Le martin-pêcheur et le TGV Shinkansen

Du martin-pêcheur au Shinkansen, le TGV japonais.

L'Homme s'est beaucoup inspiré de la nature pour faire progresser l'aérodynamisme. Au Japon, le TGV Shinkansen qui relie Osaka et Hakata en passant dans de nombreux tunnels est un bon exemple. A chaque traversée de tunnel, l'air se trouvait brutalement comprimé puis relâché, ce qui provoquait une perte de vitesse et surtout d’énormes explosions sonores. Le TGV japonais roule à plus de 300 km/h. Or, plus un train va vite, plus il fait du bruit. Dans le cas du Shinkansen, le bruit a longtemps dépassé les normes acoustiques.

Un ingénieur Japonais, Eiji Nakatsu, s'est demandé si dans la nature un animal avait été confronté au même problème auquel il avait trouvé une solution. Il a alors pensé au martin-pêcheur qui parvient à plonger pour attraper ses proies dans l’eau sans perte de vitesse ni faire de remous.

Il a donc comparé les deux phénomènes : quand un train passe dans un tunnel, il rencontre brusquement une forte résistance due à la pression de l'air, tout comme le martin-pêcheur confronté à une résistance supérieure lors de son plongeon quand il change de milieu (passage de l'air à l'eau). Il constate que cet oiseau a naturellement la solution à ce problème.

Pour en avoir une première illustration, voici une petite video montrant le martin-pêcheur en action :


Nous allons maintenant voir les aspects biologiques puis physiques du martin-pêcheur afin de comprendre comment cet oiseau a permis d’améliorer l’aérodynamisme du TGV Shinkansen.

I/ Biologie.

Alimentation : le martin-pêcheur se nourrit principalement de poissons. Il les capture en plongeant après les avoir repérés en vol stationnaire ou depuis un perchoir. Pour attraper une proie, il plonge à la verticale avec les ailes allongées vers l'arrière. Après avoir capturé sa cible, il bat des ailes pour remonter à la surface.
 
Adaptation du martin-pécheur : pour pouvoir se nourrir, le martin-pêcheur doit donc avoir le moins de perte de vitesse possible en entrant dans l'eau et faire un minimum de remous pour ne pas alerter sa proie et ainsi assurer sa prise. 
On remarque que tous les martins-pêcheurs n'ont pas le même bec. En effet, certains ont un bec qui a moins bien évolué (voir bec A dans le schéma ci-dessous) et connaissent donc plus de difficultés pour pêcher alors que d'autres ont un bec bien plus aérodynamique (voir bec B dans le schéma ci-dessous) et attrapent plus facilement les poissons. Cette évolution différente crée une sélection naturelle au sein de l'espèce. Ainsi les martins-pêcheurs possédant un bec aérodynamique ont plus de chance de survivre.
         Plongeon bec forme martin pecheur 1
 
Bec du martin-pêcheur : son bec comme celui des autres oiseaux est composé de kératine. La kératine est une protéine fibreuse très résistante qui constitue les poils, plumes, ongles et becs de nombreux animaux. Il exite deux principales formes de kératine : l’alpha-kératine, ou α-keratine, présente chez les mammifères, dont l’être humain, et la bêta-kératine, ou β-keratine, que l’on retrouve chez les reptiles et les oiseaux. La bêta-kératine est plus résistante que l’alpha-kératine car, comme nous le montre la représentation graphique des molécules de kératine (voir ci-dessous), la molécule de bêta-keratine est beaucoup plus compacte car elle est organisée en bandes parallèles, et non en hélice comme l’alpha-kératine.

Le bec du martin-pêcheur étant consitué de bêta-kératine, il est donc imperméable et plus solide.

 Molecule bec martin pecheur
                Molécule d'alpha-kératine                             Molécule de bêta-kératine
 

II/ Physique.

Le corps du martin-pêcheur peut rentrer dans l’eau en faisant un minimun de remous car la forme de son corps est particulièrement fuselée et permet de réduire la trainée aérodynamique et hydrodynamique*.

Trainée :Martin pecheur coeff paint 1

La trainée est l’ensemble des forces qui s'opposent au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz.

La trainée d’un obstacle peut s’écrire sous la forme : Calcul force

Avec p la masse volumique du fluide, V la vitesse de l’obstacle, S la surface de référence et Cx le coefficient de trainée. 

 

Nous allons comparer la force de traînée d’un train moyen (notée Ft ) et du martin-pêcheur (notée FMP ) s’ils étaient de même taille (‘rayon’ de 1 m) et avançaient à 75 m/s (270 km/h) dans un air à 20°C (qui à un volume massique de 1,204 kg/m3). 

Nous avons trouvé un coefficient de traînée de 0,3 pour le martin-pêcheur et 1,0 pour le train moyen.

Force de trainée du modèle de train basique : 

F= ½ × p × S × C× V

F = ½ × 1,204 × π × 1,0 × 75²

F= 10638 N

Force de trainée du modèle de martin-pêcheur : 

FMP ½ × p × S × C× V

FMP = ½ × 1,204 × π × 0,3 × 75²

FMP = 3191 N

Comparaison des forces de trainée : 

F÷ FMP =  10638 ÷ 3191 = 3,33 

Le modèle de train basique roulant à 270 km/h  a donc 3,33 fois plus de résistance à l'air qu'un martin-pêcheur de taille équivalente. 

A la surface de la Terre, le poids d’une masse de 1 kilogramme est d’à peu près 9,81 newtons. On peut donc vulgariser les résultats des calculs de traînée.

 

Ft ÷ 9,81 = 10638 ÷ 9,81 = 1084

La résistance de l’air sur le modèle de train à 270 km/h est donc équivalente à 1084 kg de masse à déplacer en plus pour le modèle du train de forme conventionnelle.

 

FMP ÷ 9,81 = 3191 ÷ 9,81 = 325

La résistance de l’air sur le modèle de martin-pêcheur à 270 km/h est équivalente à 325 kg de masse à déplacer en plus pour le modèle du martin-pêcheur.