Le biomimétisme et les mathématiques ! # 1ère partie

Commençons par une citation d'Euclid (scientifiques grecs) : "Les lois de la nature ne sont que les pensées mathématiques de Dieu"

Introduction

Voici la définition du biomimétisme dans le Larousse : "Démarche d’innovation durable qui consiste à transférer et à adapter à l’espèce humaine les solutions déjà élaborées par la nature (faune, flore, etc.)."
Dans la nature, on a l'impression que les formes sont floues et indéterminées, régit par aucun ordre, n'y a-t-il pas d'angle droit et de ligne ?
Est-ce simplement une impression ?
La faune et la flore évolue de façon surprenante parfois. Mais n'y a-t-il pas de règles mathématiques ? Le nombre de pétales d'une fleur, l'agencement des plumes d'un oiseau, la forme des toiles d'araignées, la forme des feuilles et des arbres... Finalement tout obéit à un principe d'organisation. La géométrie naturelle semble moins parfaite que la nôtre, mais sont-elles simplement différentes ?
Nous pouvons apprendre tellement de la nature ! Le biomimétisme, c'est-à-dire la recherche qui s'inspire du vivant en est le parfait exemple !

Les plumes d'oiseau

Elles ont une forme géométrique complexe et varie beaucoup en fonction de leur utilité. Aucune n'est identique à l'autre.
Pour qu'un oiseau vole, il faut que toutes ses plumes soit coordonnées sinon elles ne servent à rien.
Leurs ailes sont des prototype parfait que l'homme étudie depuis longtemps pour l'aéronautique. Ainsi avec le biomimétisme nous pouvons améliorer l'aérodynamisme de nos véhicules.

Il y a beaucoup de points communs entre nos avions et les oiseaux :

Ils ont un bec pour faciliter l'écoulement de l'air
Les ailes ont beaucoup de similarités, les plumes primaires s'écartent lors du décollage comme les ailerons sur l'avion, les allules de l'oiseau comme les spoilers de l'avion aident à naviguer et à atterir
Les ailes de l'avion sont très lisses comme l'oiseau qui utilise du sébum pour lubrifier ses ailes
Pour améliorer la portance, l'avion a des hypersustenteurs même à basse vitesse, l'oiseau lui utilise des ailes larges à interstices, et les points flexibles réduisent le phénomène de vortex
Les structures internes des ailes sont semblables

L'homme s'est complètement inspiré de l'oiseau pour créer les avions. C'est ainsi que les ingénieurs se sont rendus compte qu'en courbant les bords des ailes d'avion, cela améliorait les performances de 30%.
L'oiseau et l'avion jouent avec les mêmes forces : la trainée, la portance, le poids et la traction ou la propulsion.
Seule différence, l'avion se sert de réacteurs pour la propulsion ou d'hélices à moteur pour la traction, alors que l'oiseau se propulse avec ses battements d'ailes en s'appuyant sur l'air.

Les lois mathématiques

Elles constituent le fondement du biomimétisme.
Depuis toujours, la sélection naturelle s'effectue selon le principe d'une conception la plus efficace pour un dépense énergétique la plus faible pour survivre !
Par exemple, pour le transport, une surface sphérique est plus facile à transporter. Ceci constitue une avancée technologique remarquable !
Ainsi, cela fait probablement 300 millions d'années que les coléoptères ont commencé à fabriquer leurs boules de bouse pour les déplacer ! Les formes géométriques de ces boules ne sont pas parfaites mais très efficace. Ils les utilisent pour y pondre leurs oeufs à l'intérieur, ainsi la nourriture ne manquera pas et leur descendance sera assurée ! Plus il disperse de boules et plus les larves auront une chance de survivre : c'est mathématique !

Pour les graines, tout est calculé aussi ! Pour les arbres, elles sont de préférences rondes, pour pouvoir rouler. Elles essayent de s'éloigner au maximum de leur plante mère pour ne pas être en concurrence avec elle pour la lumière et le substrat.
Ces plantes essayent de coloniser une zone pour éviter que d'autres prennent la place ! C'est aussi comme çà que naît des forêt... Très souvent la géométrie de ces graines est sphérique.
Les plantes ont d'autres moyens de se disperser. Elles utilisent aussi le vent ! Les pissenlits par exemple ont colonisé une bonne partie de notre planète comme çà. Le vent les transporte puis dès qu'elle tombe au sol elle germe...

C'est ainsi que la géométrie très variée des graines a fortement inspirée les spécialistes de l'aérodynamique !
La sphère s'adapte très bien au mouvement mais obéit aussi à la loi du maximum et du minimum.
Parmi toutes les formes géométriques existantes, c'est la sphère qui a le rapport le plus faible entre sa surface et son volume. Cette forme est la meilleure pour stocker du contenu avec peu de matière pour la surface.

Prenons l'exemple des oeufs, il y en a des ronds, des sphériques...
Ceux des oiseaux sont sphériques pour ne pas rouler du nid, de plus si un prédateur cherche à le manger, il faut qu'il ait une gueule assez grande pour le casser avec ses dents. L'oeuf n'est donc pas si vulnérable que çà...
Ceux des tortues sont parfaitement rond, du fait qu'elles les enterrent dans le sable, ils ne risquent pas de se déplacer...
La forme bombée d'un oeuf permet de mieux répartir la poussée ! Un principe bien connu des architecte de la renaissance adeptes des voûtes...

Dans la revue scientifique "Science", on nous explique que : " la forme des œufs est avant tout associée aux capacités de vol des oiseaux."
Les espèces qui sont les plus douées en vol seraient celles qui ont des oeufs allongés et asymétriques. Cette forme aiderait la femelle à conserver ses capacités musculaires et aérodynamiques...

Références :

http://tpe-ailes-homme.e-monsite.com/pages/comparaison-entre-ailes-animales-et-mecaniques.html
https://www.antiopa.info/101-scarabee-bousier-coleoptere-insecte-coprophage.htm
http://www.conservation-nature.fr/article1.php?id=306
Un reportage sur France 5
http://www.cite-sciences.fr/fr/ressources/science-actualites/detail/news/des-oeufs-qui-en-disent-long-sur-le-vol-des-oiseaux/?

Merci de prendre le temps de lire cet article qui vous plaira je l'espère. Rendez vous prochainement pour la 2e partie de cet article sur le le biomimétisme et les mathématiques...

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