Des chercheurs danois ont développé une équation universelle qui prédit les fréquences de battements d'ailes et de battements de nageoires de divers animaux en utilisant la masse corporelle et la surface des ailes. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs de l’Université de Roskilde au Danemark ont développé une équation universelle capable de prédire efficacement la fréquence des battements d’ailes et des coups de nageoires des oiseaux, des insectes, des chauves-souris et des baleines. Cette recherche révolutionnaire a été récemment publiée dans la revue PLOS UN.
La capacité de vol a évolué indépendamment selon les différents groupes d’animaux. Les biologistes ont émis l'hypothèse que pour minimiser la dépense énergétique pendant le vol, la fréquence de résonance naturelle des ailes devrait dicter la fréquence de battement des ailes. Cependant, trouver une description mathématique universelle du vol battu s’est révélé difficile.
Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé l’analyse dimensionnelle pour calculer une équation décrivant la fréquence des battements d’ailes des oiseaux volants, des insectes et des chauves-souris, ainsi que les battements de nageoires des animaux plongeurs, notamment les pingouins et les baleines.
Validation empirique de l'équation universelle
Les chercheurs ont découvert que les animaux volants et plongeurs battent leurs ailes ou leurs nageoires à une fréquence proportionnelle à la racine carrée de leur masse corporelle, divisée par la surface de leurs ailes. Ils ont testé le précision de l'équation en comparant ses prédictions aux données publiées sur les fréquences de battements d'ailes des abeilles, des papillons de nuit, des libellules, des coléoptères, des moustiques, des chauves-souris et des oiseaux allant des colibris aux cygnes.
Données de fréquence des battements d'ailes pour une variété d'animaux volants par rapport à la racine carrée de la masse animale divisée par la surface de l'aile/de la nageoire. Crédit : Jensen et al., 2024, PLOS ONE, CC-BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Comparaison entre espèces et aperçu historique
Ils ont également comparé les prédictions de l'équation aux données publiées sur la fréquence des coups de nageoires des manchots et de plusieurs espèces de baleines, notamment les baleines à bosse et les baleines à bec communes. La relation entre la masse corporelle, la surface des ailes et la fréquence des battements d'ailes montre peu de variation entre les animaux volants et plongeurs, malgré d'énormes différences dans leur taille corporelle, la forme de leurs ailes et leur histoire évolutive.
De plus, les chercheurs ont démontré comment leur équation pouvait fournir des informations sur la fréquence des battements d’ailes d’espèces disparues. À l’aide de leur équation, les chercheurs ont estimé que le ptérosaure disparu Quetzalcoatlus northropi, le plus grand animal volant connu, battait ses ailes de 10 mètres carrés à une fréquence de 0,7 hertz.
Implications pour la biologie et les technologies futures
L’étude montre que malgré d’énormes différences physiques, des animaux aussi distincts que les papillons et les chauves-souris ont développé une relation relativement constante entre la masse corporelle, la surface des ailes et la fréquence des battements d’ailes. Les chercheurs notent que pour les animaux nageurs, ils n'ont pas trouvé de publications contenant toutes les informations requises ; les données de différentes publications ont été rassemblées pour effectuer des comparaisons et, dans certains cas, la densité animale a été estimée sur la base d'autres informations. De plus, des animaux extrêmement petits – plus petits que tous ceux encore découverts – ne correspondraient probablement pas à l’équation, car la physique de la dynamique des fluides change à une si petite échelle. Cela pourrait avoir des implications à l’avenir pour les nanobots volants. Les auteurs affirment que l’équation est l’explication mathématique la plus simple qui décrit avec précision les battements d’ailes et les coups de nageoires dans le règne animal.
Les auteurs ajoutent : « Avec une différence de près d’un facteur 10 000 en termes de fréquence des battements d’ailes et de nageoires, les données relatives à 414 animaux, depuis la baleine bleue jusqu’aux moustiques, tombent sur la même ligne. En tant que physiciens, nous avons été surpris de voir à quel point notre simple prédiction de la formule du battement d’aile fonctionne pour une collection d’animaux aussi diversifiée.
Financement : Cette étude a été soutenue par la subvention Matter VIL16515 de la Fondation VILLUM.
