Ailette

Une nageoire est un élément mince ou un appendice attaché à un corps ou une structure plus grande. Les ailerons fonctionnent généralement comme des feuilles qui produisent une portance ou une poussée , ou offrent la capacité de diriger ou de stabiliser le mouvement lors d'un déplacement dans l'eau, l'air ou d'autres fluides . Les ailerons sont également utilisés pour augmenter les surfaces à des fins de transfert de chaleur , ou simplement comme ornement.

Les nageoires ont d'abord évolué chez les poissons comme moyen de locomotion. Les nageoires des poissons sont utilisées pour générer une poussée et contrôler le mouvement ultérieur. Les poissons et d'autres animaux aquatiques, comme les cétacés , se propulsent et se dirigent activement à l'aide de nageoires pectorales et caudales . Lorsqu'ils nagent, ils utilisent d'autres nageoires, comme les nageoires dorsales et anales , pour atteindre la stabilité et affiner leurs manœuvres.

Les nageoires situées sur la queue des cétacés, des ichtyosaures , des métriorhynchidés , des mosasaures et des plésiosaures sont appelées nageoires caudales .

Les nageoires en forme de feuille génèrent une poussée lorsqu'elles sont déplacées, la portance de la nageoire met l'eau ou l'air en mouvement et pousse la nageoire dans la direction opposée. Les animaux aquatiques obtiennent une poussée importante en déplaçant les nageoires d'avant en arrière dans l'eau. Souvent, la nageoire caudale est utilisée, mais certains animaux aquatiques génèrent une poussée à partir des nageoires pectorales . Les nageoires peuvent également générer une poussée si elles tournent dans l'air ou dans l'eau. Les turbines et les hélices (et parfois les ventilateurs et les pompes ) utilisent un certain nombre d'ailettes rotatives, également appelées feuilles, ailes, bras ou pales. Les hélices utilisent les ailerons pour traduire la force de couple en poussée latérale, propulsant ainsi un avion ou un navire. Les turbines fonctionnent en sens inverse, en utilisant la portance des pales pour générer un couple et une puissance à partir de gaz ou d'eau en mouvement.

La cavitation peut être un problème dans les applications à haute puissance, entraînant des dommages aux hélices ou aux turbines, ainsi que du bruit et une perte de puissance. La cavitation se produit lorsque la pression négative provoque la formation de bulles (cavités) dans un liquide, qui s'effondrent ensuite rapidement et violemment. Elle peut provoquer des dommages et une usure importants. Des dommages par cavitation peuvent également survenir sur les nageoires caudales d'animaux marins puissants, tels que les dauphins et les thons. La cavitation est plus susceptible de se produire près de la surface de l'océan, où la pression ambiante de l'eau est relativement faible. Même s'ils ont la puissance de nager plus vite, les dauphins peuvent devoir limiter leur vitesse car l'effondrement des bulles de cavitation sur leur queue est trop douloureux. La cavitation ralentit également le thon, mais pour une raison différente. Contrairement aux dauphins, ces poissons ne ressentent pas les bulles, car ils ont des nageoires osseuses sans terminaisons nerveuses. Néanmoins, ils ne peuvent pas nager plus vite car les bulles de cavitation créent un film de vapeur autour de leurs nageoires qui limite leur vitesse. Des lésions ont été trouvées sur le thon qui sont compatibles avec des dommages par cavitation.

Les poissons scombridés (thon, maquereau et bonite) sont des nageurs particulièrement performants. Le long de la marge à l'arrière de leur corps se trouve une ligne de petites nageoires sans rayons et non rétractables, appelées nageoires . De nombreuses spéculations ont été faites sur la fonction de ces nageoires. Des recherches effectuées en 2000 et 2001 par Nauen et Lauder ont indiqué que « les nageoires ont un effet hydrodynamique sur le flux local pendant la nage régulière » et que « la nageoire la plus postérieure est orientée pour rediriger le flux dans le tourbillon de la queue en développement, ce qui peut augmenter la poussée produite par la queue du maquereau nageur ».

Les poissons utilisent plusieurs nageoires, il est donc possible qu'une nageoire donnée puisse avoir une interaction hydrodynamique avec une autre nageoire. En particulier, les nageoires immédiatement en amont de la nageoire caudale (queue) peuvent être des nageoires proches qui peuvent affecter directement la dynamique de l'écoulement au niveau de la nageoire caudale. En 2011, des chercheurs utilisant des techniques d'imagerie volumétrique ont pu générer « les premières vues tridimensionnelles instantanées des structures de sillage telles qu'elles sont produites par des poissons nageant librement ». Ils ont découvert que « les battements continus de la queue entraînaient la formation d'une chaîne liée d'anneaux tourbillonnaires » et que « les sillages des nageoires dorsale et anale sont rapidement entraînés par le sillage de la nageoire caudale, approximativement dans le laps de temps d'un battement de queue ultérieur ».

Une fois le mouvement établi, le mouvement lui-même peut être contrôlé à l'aide d'autres ailerons. Les bateaux contrôlent la direction (lacet) avec des gouvernails en forme d'ailerons, et le roulis avec des ailerons stabilisateurs et de quille. Les avions obtiennent des résultats similaires avec de petites ailerons spécialisés qui modifient la forme de leurs ailes et de leurs ailerons de queue.

Les ailerons stabilisateurs sont utilisés comme empennage sur les flèches et certaines fléchettes , et à l'arrière de certaines bombes , missiles , roquettes et torpilles automotrices . Ceux-ci sont généralement plans et en forme de petites ailes, bien que des ailerons en grille soient parfois utilisés. Des ailerons statiques ont également été utilisés pour un satellite, GOCE .

Les ailettes techniques sont également utilisées comme ailettes de transfert de chaleur pour réguler la température dans les dissipateurs de chaleur ou les radiateurs à ailettes .

En biologie, les nageoires peuvent avoir une signification adaptative en tant qu'ornements sexuels. Pendant la parade nuptiale, la femelle cichlidé , Pelvicachromis taeniatus , arbore une grande nageoire pelvienne violette visuellement frappante . « Les chercheurs ont découvert que les mâles préféraient clairement les femelles ayant une nageoire pelvienne plus grande et que les nageoires pelviennes poussaient de manière plus disproportionnée que les autres nageoires des poissons femelles. »

Les pieds humains remodelés avec des palmes de natation , un peu comme la nageoire caudale d'un poisson, ajoutent de la poussée et de l'efficacité aux coups de pied d'un nageur ou d'un plongeur sous-marin Les ailerons de planche de surf offrent aux surfeurs des moyens de manœuvrer et de contrôler leurs planches. Les planches de surf contemporaines ont souvent un aileron central et deux ailerons latéraux cambrés .

Les corps des poissons de récif sont souvent de forme différente de ceux des poissons d'eau libre . Les poissons d'eau libre sont généralement conçus pour la vitesse, profilés comme des torpilles pour minimiser la friction lorsqu'ils se déplacent dans l'eau. Les poissons de récif évoluent dans les espaces relativement confinés et les paysages sous-marins complexes des récifs coralliens . Cette manœuvrabilité est plus importante que la vitesse en ligne droite, c'est pourquoi les poissons de récif corallien ont développé des corps qui optimisent leur capacité à s'élancer et à changer de direction. Ils déjouent les prédateurs en esquivant les fissures du récif ou en jouant à cache-cache autour des récifs coralliens.

Les nageoires pectorales et pelviennes de nombreux poissons de récif, tels que les poissons-papillons , les demoiselles et les poissons-anges , ont évolué de manière à pouvoir agir comme des freins et permettre des manœuvres complexes. De nombreux poissons de récif, tels que les poissons-papillons , les demoiselles et les poissons-anges , ont développé des corps profonds et comprimés latéralement comme une crêpe, qui s'insèrent dans les fissures des rochers. Leurs nageoires pelviennes et pectorales sont conçues différemment, de sorte qu'elles agissent de concert avec le corps aplati pour optimiser la manœuvrabilité. Certains poissons, tels que les poissons-ballons , les poissons-limes et les poissons-coffres , s'appuient sur des nageoires pectorales pour nager et n'utilisent pratiquement pas de nageoires caudales.

Il existe une vieille théorie, proposée par l'anatomiste Carl Gegenbaur , qui a souvent été ignorée dans les manuels scientifiques, selon laquelle « les nageoires et (plus tard) les membres ont évolué à partir des branchies d'un vertébré éteint ». Les lacunes dans les archives fossiles n'ont pas permis de tirer de conclusion définitive. En 2009, des chercheurs de l'Université de Chicago ont trouvé des preuves que « l'architecture génétique des branchies, des nageoires et des membres est la même » et que « le squelette de tout appendice du corps d'un animal est probablement modelé par le programme génétique développemental que nous avons retracé jusqu'à la formation des branchies chez les requins ». Des études récentes soutiennent l'idée que les arcs branchiaux et les nageoires appariées sont homologues en série et donc que les nageoires peuvent avoir évolué à partir des tissus branchiaux.

Les poissons sont les ancêtres de tous les mammifères, reptiles, oiseaux et amphibiens. En particulier, les tétrapodes terrestres (animaux à quatre pattes) ont évolué à partir des poissons et ont fait leurs premières incursions sur terre il y a 400 millions d'années. Ils utilisaient des nageoires pectorales et pelviennes appariées pour se déplacer. Les nageoires pectorales se sont développées en pattes avant (bras dans le cas des humains) et les nageoires pelviennes en pattes arrière. Une grande partie de la machinerie génétique qui construit un membre locomoteur chez un tétrapode est déjà présente dans la nageoire natatoire d'un poisson.

En 2011, des chercheurs de l'Université Monash en Australie ont utilisé des dipneustes primitifs mais encore vivants « pour retracer l'évolution des muscles des nageoires pelviennes afin de découvrir comment les membres postérieurs porteurs des tétrapodes ont évolué ». D'autres recherches menées à l'Université de Chicago ont révélé que les dipneustes qui marchaient sur le fond avaient déjà développé des caractéristiques de la démarche des tétrapodes terrestres.

Dans un exemple classique d' évolution convergente , les membres pectoraux des ptérosaures , des oiseaux et des chauves-souris ont évolué en suivant des chemins indépendants pour devenir des ailes volantes. Même avec les ailes volantes, il existe de nombreuses similitudes avec les pattes ambulatoires, et les aspects fondamentaux du schéma génétique de la nageoire pectorale ont été conservés.

Il y a environ 200 millions d'années, les premiers mammifères sont apparus. Un groupe de ces mammifères a commencé à retourner à la mer il y a environ 52 millions d'années, bouclant ainsi un cercle. Il s'agit des cétacés (baleines, dauphins et marsouins). Des analyses ADN récentes suggèrent que les cétacés ont évolué à partir des ongulés à nombre pair de doigts et qu'ils partagent un ancêtre commun avec l' hippopotame . Il y a environ 23 millions d'années, un autre groupe de mammifères terrestres ressemblant à des ours a commencé à retourner à la mer. Il s'agissait des pinnipèdes (phoques). Ce qui était devenu des membres locomoteurs chez les cétacés et les phoques a évolué plus loin, indépendamment dans une forme inverse d'évolution convergente, vers de nouvelles formes de nageoires. Les membres antérieurs sont devenus des nageoires et, chez les pinnipèdes, les membres postérieurs sont devenus une queue terminée par deux nageoires (la nageoire caudale des cétacés , à l'inverse, est un organe entièrement nouveau). Les queues des poissons sont généralement verticales et se déplacent d'un côté à l'autre. Les nageoires caudales des cétacés sont horizontales et se déplacent de haut en bas, car les épines des cétacés se courbent de la même manière que celles des autres mammifères.

Les ichtyosaures sont des reptiles anciens qui ressemblaient aux dauphins. Ils sont apparus il y a environ 245 millions d'années et ont disparu il y a environ 90 millions d'années.

« Ce reptile marin aux ancêtres terrestres s'est tellement rapproché des poissons qu'il a développé une nageoire dorsale et une queue exactement au bon endroit et avec la bonne configuration hydrologique. Ces structures sont d'autant plus remarquables qu'elles ont évolué à partir de rien : le reptile terrestre ancestral n'avait pas de bosse sur le dos ni de lame sur la queue pour servir de précurseur. »

Le biologiste Stephen Jay Gould a déclaré que l'ichtyosaure était son exemple préféré d' évolution convergente .

L'utilisation de nageoires pour la propulsion des animaux aquatiques peut être remarquablement efficace. Il a été calculé que certains poissons peuvent atteindre une efficacité de propulsion supérieure à 90 %. Les poissons peuvent accélérer et manœuvrer beaucoup plus efficacement que les bateaux ou les sous-marins , et produisent moins de perturbations et de bruit dans l'eau. Cela a conduit à des études biomimétiques de robots sous-marins qui tentent d'imiter la locomotion des animaux aquatiques. Un exemple est le Robot Tuna construit par l'Institute of Field Robotics, pour analyser et modéliser mathématiquement le mouvement tunniforme . En 2005, le Sea Life London Aquarium a exposé trois poissons robotisés créés par le département d'informatique de l' Université d'Essex . Les poissons ont été conçus pour être autonomes, nager et éviter les obstacles comme de vrais poissons. Leur créateur a affirmé qu'il essayait de combiner « la vitesse du thon, l'accélération d'un brochet et les capacités de navigation d'une anguille ».

L' AquaPenguin , développé par Festo en Allemagne, copie la forme profilée et la propulsion par nageoires antérieures des pingouins . Festo a également développé AquaRay , AquaJelly et AiraCuda , imitant respectivement la locomotion des raies manta, des méduses et des barracudas.

En 2004, Hugh Herr du MIT a prototypé un poisson robotique biomécatronique avec un actionneur vivant en transplantant chirurgicalement des muscles des pattes de grenouille au robot, puis en faisant nager le robot en pulsant les fibres musculaires avec de l'électricité.

Les poissons robotisés offrent certains avantages pour la recherche, comme la possibilité d'examiner une partie de la conception d'un poisson isolément du reste, et la variance d'un seul paramètre, comme la flexibilité ou la direction. Les chercheurs peuvent mesurer directement les forces plus facilement que sur des poissons vivants. « Les dispositifs robotisés facilitent également les études cinématiques tridimensionnelles et les analyses hydrodynamiques corrélées, car l'emplacement de la surface locomotrice peut être connu avec précision. De plus, les composants individuels d'un mouvement naturel (comme le mouvement sortant ou entrant d'un appendice battant) peuvent être programmés séparément, ce qui est certainement difficile à réaliser lorsqu'on travaille avec un animal vivant. »