Les spécificités et propriétés physiques des denticules:

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        Nous venons donc de voir les multiples raisons biologiques permettant de conférer aux requins de telles prédispositions à glisser dans l'eau de manière fluide et sans perturbation, tout en assurant leurs capacités d'accélération et de vitesse fulgurante. Mais quelles sont actuellement les propriétés physiques que recèlent ces mêmes particularités anatomiques permettant d'octroyer une telle aisance de nage, une telle pénétration et un tel accroissement de l'hydrodynamisme aux requins ?                

En effet, dès la prise de conscience des chercheurs des qualités et des propriétés extraordinaires de l'anatomie et plus particulièrement des denticules du requins, les ingénieurs se sont penchés sur les phénomènes physiques que ces dernières font intervenir lors des mouvements de leur porteur. Elles ont ainsi enterré l'idée qu'une surface lisse est la plus adéquate à un aérodynamisme optimal. En effet, elles nous ont permis de comprendre que l'absence d'obstacle à l'écoulement de fluide newtonien (air et eau par exemple) n'était pas le seul facteur à prendre en compte afin de conférer au corps une pénétration de ses fluides propice à l'accession à de grandes vitesses qui étaient, jusque-là, de simples objectifs surpassant nos techniques. Les denticules ont ainsi permis de changer totalement notre perception de la mécanique des fluides en général et ont, de cette manière, profondément fait évoluer les techniques de fabrication de surfaces ou de matériaux devant répondre à des exigences d'aérodynamisme. Si bien que des domaines d'ingénierie tels que la natation ou l'aéronautique s'en sont retrouvés changés en leur fondamentaux. De plus, la complexité, la petitesse, la perfection d'organisation ainsi que les nombreuses propriétés physiques de ces denticules ont  permis aux scientifiques d'observer au plus près en quoi ce réseau cutané se pose en véritable porte étendard de ce que la nature peut créer de plus hydrodynamique. Ces denticules étaient une telle source d'informations et de découvertes, qu'elles ont à termes permis aux physiciens de mieux comprendre et mieux maîtriser les phénomènes physiques de la mécaniques des fluides. A tel point qu'un effet physique encore inconnu a été découvert suite à l'étude de ces denticules cutanées. Il s'agit du phénomène que l'on appelle désormais: l'effet Riblet (aussi couramment appelé effet peau de requin) .

 

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Mécanique des fluides:

 

        Avant tout, définissons la notion de mécanique des fluides que nous venons d'évoquer à de nombreuses reprises et que nous retrouverons fréquemment mentionnée tout au long de cette partie.

"Alors ? me demandez vous impatient, Qu'est ce que la mécaniques des fluides ?" Ce à quoi je  répondrai que vous avez raison d'exprimer tant d'entrain vis à vis de cette discipline car cette dernière est aussi incomprise que répandue, aussi complexe que passionnante et pose autant de questions qui restent encore sans réponse, qu'elle apporte des explications à des phénomènes qui nous ont été énigmatiques depuis des siècles ou qui nous étaient jusque-là méconnus si ce n'est totalement inconnus (le meilleur exemple étant très certainement ce fameux effet Riblet).

 

La mécanique des fluides est une discipline physique dont on peut théoriquement associer l'apparition aux premières applications concrètes du comportement mécanique de l'eau via la création de grandes structures hydrauliques, telles que les aqueducs ou autres canaux dont on peut remonter la construction à environ 3000 ans avant J.C. Cependant, les premières études du comportement mécanique de l'eau (l'ancêtre de la mécanique des fluides actuelle) verront le passage d'une application strictement pratique, à une étude théorique de ces phénomènes physiques que tardivement. En effet, l'apparition d'une véritable théorie de la mécanique de l'eau se fera uniquement à partir du IIIème siècle avant J.C, symbolisée évidemment par les travaux d'Archimède et la formulation de nombreux principes physiques (dont le plus connu est la poussée d'Archimède) considérés encore aujourd'hui comme les précurseurs de la mécanique des fluides. Il faudra pourtant attendre l'avènement de la Renaissance et l'importance qu'elle accorde aux sciences, contrairement au Moyen-âge, afin d'observer un véritable essor des connaissances et des découvertes sur la mécanique des fluides entraîné et porté en grande partie par les études de Léonard de Vinci qui poseront certains des fondements de ce domaine en introduisant des principes fondamentaux d'hydrodynamique. Ces recherches se poseront ainsi en véritables pionnières de la compréhension primaire du fonctionnement de l'hydrodynamisme et de sa maîtrise optimisée aux besoins de l'homme. L'époque moderne verra par la suite la démocratisation de cette discipline, de même que sa fulgurante évolution dûe en grande partie à l'inclusion des mathématiques à la physique, et donc à la mécanique des fluides, qui permettent de substituer les moyens d'essai et de faciliter l'interprétation des observations que l'on peut en tirer.

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Actuellement, la mécanique des fluides est un des domaines les plus importants et les plus prometteur de la physique et une des disciplines dans laquelle nous plaçons le plus d'espoir et le plus de moyen. De plus, cette dernière s'est tant diversifiée au cours de ces derniers siècles qu'elle a été divisée en deux parties:           

 

-la statique des fluides qui est par définition l'étude du comportement des fluides au repos;                   

-la dynamique des fluides qui est, à l'inverse de sa comparse, l'étude et l'observation du comportement des fluides en mouvement. Cette "sous-discipline" est un domaine particulièrement actif, marqué, comme nous l'avons évoqué précédemment, par de très nombreux problèmes non résolus ou que partiellement.                                                                                                                

C'est aujourd'hui les recherches sur la dynamique des fluides qui ont permis d'aboutir à des découvertes majeures de l'histoire des sciences et ont, en permettant une compréhension générale de l'écoulement des fluides plus que poussée, servi à l'évolution des techniques que possède l'homme afin d'accéder à un aérodynamisme toujours plus efficace et parfait.   

 

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Les forces s'appliquant sur les nageurs:

 

        Maintenant que nous avons développé dans ses grandes lignes l'histoire, les objectifs et les conséquences sur notre société et nos ingénieries de la mécanique des fluides, analysons dans un premier temps les nombreux phénomènes physiques intervenant lors du déplacement d'un corps dépourvu de denticules ou de combinaison reprenant leur principe et leurs propriétés dans un fluide.                                                                                                                                                                     

Remarque: Peu importe le fait que nous nous référons à un milieu aquatique ou à un milieu dit "usuel", c'est à dire simplement pourvu d'air. Les observations, les calculs et les conclusions que nous tirons de l'étude du comportement de fluides newtonien ne dépendent pas du fait que nous choisissons en guise d'objet d'étude et en guise de référentiel de l'eau ou de l'air car ces derniers réagissent de la même manière pour des conditions de réalisations d'expériences identiques. De plus, par soucis de réalisme et de fidélité à notre sujet nous nous concentrerons, principalement à travers nos expériences notamment, sur l'observation du comportement de l'eau lorsqu'un corps est plongé dans ce liquide afin de s'approcher, au mieux, des phénomènes physiques que nous provoquons lorsque  nous nageons.                                                                                                                                            

 

Premièrement, rappelons le fait que tout corps effectuant un déplacement dans un fluide est soumis à de nombreuses forces et provoque tout autant de phénomènes physiques liés directement au domaine de la mécanique des fluides. Ces forces, pour la plupart, ralentissent ainsi le mouvement du corps jusqu'à ce que ce dernier revienne à un état statique (sauf intervention de forces motrices ou de poussée supplémentaire). Cette donnée est ainsi celle qui régit tout nos mouvements, l'allure de tous nos déplacements et qui limite nos capacités à nous mouvoir librement sans restriction de vitesse ou d'accélération. La prise en compte de cette règle physique, aussi basique que primordiale, a permis des avancées scientifiques majeures de l'histoire de l'humanité. En effet, surpasser, passer outre ou ne serait-ce que réduire au maximum l'impact que cette loi physique a sur nos performances a été et est toujours le principal objectif des ingénieurs en aérodynamique travaillant sans relâche afin de transcender nos qualités de déplacement dans les fluides newtonien les plus répandus (c'est à dire l'air ambiant et l'eau) et afin d'accroître le plus possible notre potentiel de vitesse (lorsque nous nageons dans le cas de notre sujet) et le potentiel de vitesse de nos moyens de transport.                                                                                                  

                             

Pourtant l'homme reste dépendant des loi physiques et mécaniques universelles régentant notre planète et ne peut totalement déroger aux forces restreignant ses performances de course et de nage. Ainsi, n'ayant encore trouvé les solutions pour annuler entièrement l'effet de ces forces et n'ayant vraisemblablement aucune possibilité de faire totale abstraction de ces obstacles, l'homme en sera toujours plus ou moins handicapé et sera constamment affecté par les différents types de forces agissant sur nos mouvements que les chercheurs ont décidé de répartir en deux groupes distincts:                                                                                                                                                                

         -les forces favorables qui n'impactent pas directement la vitesse de déplacement du corps dans le fluide;

         

         -les forces frénatrices, plus couramment appelées résistances à l'avancement ,qui sont les responsables directes du ralentissement du mouvement du corps dans le fluide et des perturbations empêchant ce dernier de surpasser une certaine vitesse définie selon l'hydrodynamisme de sa silhouette.                

 

Ces deux catégories ont ainsi permis de différencier:

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         -les forces non modelables par l'homme (qui ne peuvent être altérées et atténuées par une manipulation humaine si ce n'est conserver une silhouette la plus athlétique possible) ou par une de ces inventions. Elles n'auraient qu'un intérêt négligeable tant leurs bénéfices seraient infimes et tant ces forces affectent peu si ce n'est pas nos déplacements;

 

         -les forces et phénomènes pouvant impacter nos performances, à l'aide de combinaisons spécialisées notamment. Ces catégories ont donc, en résumé, permis de discerner plus facilement les forces passives voire favorables à notre déplacement, à celles sur lesquelles doivent se concentrer les ingénieurs pour trouver des solutions et des techniques permettant de brider au maximum et de manière suffisamment efficace l'intervention de ces phénomènes.

 

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Intéressons nous donc à présent à ces différentes forces que nous venons d'introduire précédemment.

 

Les forces favorables:

 

        Pour avancer le nageur exerce une poussée ou force de propulsion. Cette dernière est nécessairement plus importante que les forces s'opposant au déplacement du sportif afin d'assurer la continuation du mouvement accéléré ou uniforme de ce dernier. A cette force de propulsion, ou force de traction, causée par les battements du nageur, s'ajoute de nombreuses forces dites favorables à l'avancement portant le corps vers la surface ou le fond de la piscine. La complémentarité de ces forces résulte de la position du corps du nageur (immergé en sa quasi totalité mais cependant très proche de la surface) propice à une pénétration optimale tout en conservant un potentiel de poussée et de force de traction suffisamment conséquent pour octroyer à l'athlète une vitesse maximale. En effet, les battements du nageur alternant entre le milieu aquatique et l'air offrent une propulsion, la plus efficace possible. De cette manière, la combinaison intrinsèque entre la poussée qu'exerce le nageur lors de sa course et les forces favorables à son avancement s'appliquant sur son corps lors de ses mouvements dans l'eau. Ceci assure une osmose parfaite entre les lois physiques définissant nos déplacements  dans ce fluide, et les facteurs de performances soumis à notre condition physique sur laquelle le travail du sportif peut avoir et a un impact direct et non négligeable. C'est au final la rencontre sinequanone de ces deux facteurs qui octroie à l'homme la simple possibilité de nager et d'améliorer ses performances afin de repousser ses compétences et ses capacités à la mesure du possible, dont l'apogée est très certainement le niveau et la vitesse phénoménales qu'ont réussi à atteindre les plus grands nageurs de notre époque, tel que Michael Phelps.

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Présentons à présent ces différentes forces favorables.

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Le Poids :

 

        En considérant le référentiel terrestre uniquement, le poids d'un corps est la force de pesanteur exercée par la Terre sur ce même corps massique (possédant un masse) pour seule condition qu'il soit au voisinage de cette dernière, c'est à dire présent dans son champ gravitationnelle. Cette est ainsi une action à distance s'exerçant sur le corps toujours proportionnellement à sa masse et s'appliquant en son centre de gravité, se situant environ au niveau de notre première vertèbre lombaire, qui se situe, elle-même, vers notre bassin, soit approximativement à 55% de la hauteur du corps du sujet en partant du sol. Ceci est dû au fait que l'homme n'a pas sa masse répartie de manière homogène: la partie supérieur du corps humain est plus dense. De plus, la direction de cette action est définie par la verticale passant quasiment par le centre de la Terre : le poids est une force verticale s'exerçant vers le bas. C'est cette force qui tire la nageur vers le fond de la piscine.       

                                                  

La formulation physique de cette force, s'exprimant en newton, montre que cette dernière est proportionnelle à la masse du sujet et définie par l'intensité de la pesanteur de la planète, du satellite ou du corps céleste (suffisamment imposant pour être doté d'une pesanteur) sur lequel se trouve le corps dont nous voulons calculer le poids (dans notre cas nous considérerons l'intensité de la pesanteur terrestre).

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On a donc la formule suivante:   P = m*g.                                                                                                                                                                                                  

Avec:                                                                                                                                                                           

P le poids en newton, noté N;

m la masse du corps en kilogrammes, noté kg;                                                                                      

g l'intensité de pesanteur en newton par kilogrammes, noté N/kg (sur Terre l'intensité de pesanteur est environ égale à 9,81 N/kg).

  

 

La poussée d'Archimède :

 

        Un corps, au repos, entièrement ou partiellement immergé dans un fluide homogène (nous considérons généralement le milieu aquatique) subit de nombreuses actions mécaniques de la part de ce dernier. Ces actions équivalent et résultent ainsi en l'application d'une force unique nommée «Poussée d'Archimède». Cette force étant opposée au poids du volume de fluide déplacé a, de cette manière, une direction verticale au lieu, s'exerce du bas vers le haut et s'applique, tout comme le poids, au centre de gravité du corps. En prenant toujours en compte le référentiel terrestre, la poussé d'Archimède est proportionnelle au volume du fluide déplacé et à la masse volumique du fluide que nous prenons en considération (la masse volumique de l'eau étant égale à 1 g/cm3 soit à 1000 kg/m3). C'est cette force qui permet au nageur de rester suffisamment proche de la surface de l'eau et de flotter. Cette force agit ainsi en opposition du poids (de ce fait les deux forces finissent par s'annuler).

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La formulation physiques de la poussée d'Archimède est donc définie par la l'équation suivante:  Pa = p*V*g 

                                                                                                                                                            Où:                                                                           

Pa est la poussée d'Archimède exprimée elle aussi en newton, noté N;                                                 p est la masse volumique du fluide dans lequel repose le corps exprimé en kilogrammes par mètres cubes, noté kg/m3;                                                                                                                             

V est le volume du fluide déplacé en mètre cube, noté L/m3;                                                                     

Et g est l'intensité de pesanteur exprimée en newton par kilogrammes (égale à environ 9,81 N sur Terre).

 

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La portance hydrodynamique :

 

        La portance hydrodynamique est une force résultant du mouvement d'un corps dans un fluide. Cette dernière s'exerce sur toute la surface du corps en déplacement et s'applique perpendiculairement à la direction du mouvement du corps. Ainsi, en fonction de la position du nageur dans l'eau la portance peut agir du bas vers le haut (le plus souvent), du haut vers le bas (lors des culbutes par exemple) ou même être dirigée vers l'avant. C'est pourquoi adopter une position la plus horizontale possible et effectuer des battements millimétrés est la première priorité des nageurs afin de profiter au mieux des bénéfices de vitesse que peut apporter la portance. Cette force est donc la plus importante quant à l'optimisation de la nage mais aussi la plus complexe des forces favorables à l'avancement .

 

Elle est définie par la formule suivante: Po = 1/2*p*Cz*S*V2        

 

Où:                                                                                                                                                               

Po est la portance exprimée en newton, noté N;                                                                                            p est la masse volumique du fluide en question en kilogrammes par mètres cubes;                           Cz est le coefficient de portance ,sans unité;                                                                                             

S est la surface du corps en mètres carrés;                                                                                             

V est la vitesse de déplacement du corps dans le fluide en mètres par secondes, noté m/s.

 

Enfin, la force motrice est la force responsable de la mise en mouvement du corps vers l'avant, de la propulsion de ce dernier et de son accélération. Cette force résulte des mouvements du nageur et de ses battements.

 

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Les résistances à l'avancement :

 

        Nous venons de voir ce qui nous permet de nous mouvoir dans l'eau avec une relative vitesse et une certaine fluidité. Cependant, de nombreuses forces entravent notre capacité à nous déplacer librement sans restriction de vitesse et d'accélération. En effet, tout corps qui se déplace dans l'eau subit l'impact de forces opposées à son déplacement. Ces dernières sont plus connues sous le nom de résistances à l'avancement. Aujourd'hui, ses forces frénatrices sont décomposées en plusieurs actions distinctes:

 

        -La traînée hydrodynamique. Il s'agit d'une force s'opposant au mouvement du corps dans un fluide. Cette traînée hydrodynamique, dont l'intensité dépend de la vitesse de déplacement du corps dans le fluide, s'applique sur l'intégralité de la surface de la silhouette du nageur.

 

Cette force se calcule selon la formule suivante: T = 1/2*p*Cx*S*V2   

                                                                                                                                                      Avec:                                                                                                                                   

p la masse volumique du fluide;                                                                                                               

Cx le coefficient de traînée sans unité;

S la surface du corps en mètres carrés;                                                                                               

V la vitesse du corps dans le fluide en mètres par seconde.

     

        -La résistance de traînée, ou traînée de forme, est la principale force limitant notre capacité de déplacement et est liée directement à la morphologie du nageur, aux obstacles qu'il crée lors de son mouvement et de ses battements ainsi qu'à sa vitesse de nage. Afin de réduire au maximum cette résistance à l'avancement, le nageur doit adopter la bonne position  (la plus horizontale possible, comme nous l'avons dit précédemment, dans le but de diminuer les obstacles à l'écoulement qu'offre notre anatomie) et doit, de plus, se gainer de telle sorte que son corps ait la position hydrodynamique optimale et que le sportif présente la surface la plus petite possible à l'eau devant lui. Cette résistance de traînée impact tellement notre pénétration du fluide que cette force est divisée en deux composantes principales: la résistance frontale, liée à la résistance de forme s'exerçant à l'avant du nageur et au premier obstacle qu'il oppose à l'écoulement de l'eau; la résistance de remous, liée à la résistance de forme s'exerçant à l'arrière du nageur. Elle est à l'origine d'une dépression qui exerce un effet d'aspiration derrière l'athlète ce qui réduit de manière conséquente à terme la vitesse de ce dernier.

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La résistance de frottement :

 

        La traînée de frottement est la turbulence que crée le contact entre la peau du nageur et l'eau. Cette force frénatrice s'exerce ainsi uniquement sur la partie immergé du corps et trouve son effet sur le déplacement du nageur accentué du fait que la peau de l'homme étant rugueuse font d'elle une surface dont les aspérités limite la pénétration dans l'eau. De plus, cette force est marquée par le fait que les mouvements du sportif provoquent des collisions entre les molécules qui rebondissent dans des directions aléatoires, ce qui provoque une turbulence qui agrandit la traînée.

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La résistance de vague :

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        Cette résistance à l'avancement est liée aux mouvements réalisés à la surface de l'eau, à la vitesse du corps et à la forme de la silhouette de ce dernier. Le déplacement du nageur est à l'origine de la création d'une vague en avant du corps et d'un creux à l'arrière. Ainsi, cette vague significative d'une zone de forte pression devient une sorte de pente liquide que doit surmonter le nageur pour avancer; ce qui provoque un ralentissement et une dépense d'énergie supplémentaire. Quant au creux que provoque le déplacement du sportif derrière lui, il est le témoin d'une zone de dépression qui aspire le corps de l'athlète et le ralentit inexorablement: on retrouve ainsi les mêmes effets de basses pressions et de succions que provoque la résistance de remous.

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

Le cas des vortex

      

        De manière générale, lorsqu'un fluide s'écoule loin de toute paroi et ne rencontre pas d'obstacle lors de sa course, ce dernier adopte un écoulement dit laminaire. C'est à dire que l'ensemble du fluide s'écoule plus ou moins dans la même direction de manière, approximativement parallèles (la communauté scientifique image ce type d'écoulement par des «lames» de fluide se dressant parallèles les unes aux autres d'où le nom d'écoulement laminaire ou d'écoulement en lame). Cependant, la rupture de ces écoulements laminaires, provoquée par tout corps plongé dans un fluide et dans notre cas provoqué par le déplacement du nageur dans l'eau, résulte en la création de turbulences à l'arrière de ce même corps. Ces turbulences sont caractérisées par une baisse de pression aux pieds du nageur et par l'apparition de tourbillons, autrement dit vortex, qui sont les principales causes de la formation de la traînée et de l'application de ces mêmes forces de traînée inhibant notre potentiel de déplacement dans un milieu aquatique. Ainsi, brider au mieux la création de ces turbulences et plus particulièrement la création des tourbillons, s'est rapidement imposé comme étant le facteur sur lequel devait travailler les physiciens afin de franchir une nouvelle étape dans notre recherche insatiable d'une fluidité et une vitesse de déplacement sans obstacles ni aspérités. Toutefois, il s'est avéré que l'étude du comportement de ces vortex était mathématiquement très compliqué et sujette à de fortes approximations ne nous permettant pas une compréhension de ce phénomène suffisante et propice à la maîtrise de ce dernier. De plus, ces tourbillons résultent de la cassure de l'écoulement laminaire du fluide lorsque ce dernier rencontre un corps étranger. Ainsi, enrayer leur formation et empêcher la transformation d'un écoulement laminaire en un écoulement tourbillonnaire  du fluide, relève de la simple impossibilité physique. De cette manière, les recherches visant à annuler le mouvement unidirectionnel de l'eau lors de la nage semblent ne pouvoir aboutir qu'à des solutions non viables. Nous serons effectivement toujours un obstacle à l'écoulement de n'importe quel fluide. De ce fait, le seul moyen dont nous disposons afin de ressentir le moins possible l'effet "décélérateur " de cette traînée et de ces tourbillons est d'adopter la position et le gainage offrant le moins de surface de contact avec l'eau. C'est en effet la surface de friction que nous offrons à l'écoulement du fluide qui est à la base de l'intervention de l'impact des turbulences. Ainsi, le changement de type d'écoulement de la part du fluide en un écoulement tourbillonnaire, résulte en l'apparition de phénomènes physiques ayant un impact direct sur nos performances.

 

Premièrement, la friction qui se produit lorsque un fluide entre en contact avec une surface étrangère à ce dernier en ralentit la vitesse d'écoulement. Ainsi, un contraste de vitesse d'écoulement se crée entre l'eau au contact ou proche du corps en mouvement, et l'eau éloignée de la surface du corps du nageur s'écoulant plus rapidement, cette dernière ne voyant pas son mode et sa vitesse d'écoulement affecté par les mouvements du corps plongé dans le fluide. De cette manière, cette séparation des flux crée des baisses de pression provoquant de ce fait la formation des vortex. Chez l'Homme, plus la vitesse à laquelle il se déplace est élevée, plus la formation des tourbillons augmente et ils se rassemblent principalement à l'arrière du nageur. Ce qui, au final, résulte en l'apparition d'une traînée dont l'intensité de son effet de résistance est proportionnelle à l'allure du mouvement du corps. Cet écoulement tourbillonnaire accumulé et centralisé à l'arrière du nageur, provoque la création d'une zone de forte dépression. Ces turbulences couplées à cette zone de basse pression provoque un effet de succion s'appliquant derrière le nageur et exerce ainsi sur ce dernier une force d'aspiration s'opposant à la force de traction que crée le sportif pour avancer. C'est pourquoi, afin de palier à cette force frénatrice, le nageur doit exercer une force motrice supplémentaire plus importante afin de conserver sa vitesse ou afin d'accélérer. Cette action est coûteuse en énergie et crée ainsi un cercle vicieux où le nageur, désirant conserver son allure, doit fournir plus d'effort le fatiguant et ne lui permettant pas, à terme, d'assurer une force de propulsion nécessaire pour garder sa vitesse. Enfin, ces vortex sont les marqueurs de la scission du déplacement linéaire des molécules d'eau, entraînant par effet de cause à conséquence, le comportement chaotique et aléatoires de ces molécules caractérisé par des collisions et par des déplacements divergent et non laminaire de ces dernières. Cette perturbation du milieu impact ainsi directement la nage du sportif. En effet, l'instabilité du fluide dans lequel il progresse diminue la fluidité de son déplacement et provoque l'apparition de vague et de creux (au niveau des vortex et donc au niveau du début de la traînée) compliquant ses mouvements et empêchant son aisance d'avancement dans le fluide.

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L'apport hydrodynamique des denticules

 

        Bien que les recherches sur ces turbulence et sur l'écoulement tourbillonnaire se soient poursuivies, peaufinées voire accentuées, peu de solutions probantes ont été mises à jour. Et ce à cause de la complexité de prédire le comportement du fluide et de son écoulement lorsqu'il rencontre un  obstacle du fait que le déplacement tourbillonnaire des molécules d'eau résulte en un mouvement aléatoire dont on ne peut calculer les tenants et aboutissants. Cette incapacité à comprendre et à maîtriser la réaction archaïque du fluide, suite à la rupture de son écoulement laminaire, a confronté les scientifiques et les ingénieurs à un mur s'opposant à leur désir de passer outre l'effet freinant et le phénomène d'aspiration des vortex. Toutefois, la démocratisation et l'expansion de la biomimétique dans tous les domaines de recherche scientifique, ainsi que l'ampleur naissante de cette ingénierie, a permis d'ouvrir de nouveaux horizons et de nouvelles perspectives pour les recherches sur la mécanique des fluides et sur les turbulences d'un fluide newtonien. En effet, c'est en étudiant et en s'inspirant de la nature que des débuts de réponses et des prémices de solutions ont pu voir le jour. C'est donc en concentrant leurs efforts sur l'objet d'étude paraissant le plus évident mais jusque là aussi inexploré qu'inexploité, et en cherchant des réponses dans l'écosystème le plus propice à  détenir les solutions à leurs questionnements que les spécialistes du biomimétisme ont fini par focaliser leurs recherches sur les «champions de vitesse» des océans et plus particulièrement sur les requins. De ce fait, des propriétés insoupçonnées de l'anatomie de ce dernier ont été décelées et ont bouleversé les connaissances que nous possédions sur la mécanique des fluides. Ces découvertes sans précédent ont redonné un souffle nouveau aux travaux sur les vortex.

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La trouvaille la plus intéressante, néanmoins la plus inattendue, tant elle a remis en cause des principes fondamentaux de la mécanique des fluides, tant elle a permis de découvrir de nouveaux phénomènes physiques et tant elle a inspiré les ingénieurs chargés des combinaisons de natation, a fasciné le monde scientifique de par sa complexe richesse et son incroyable potentiel à nous apporter une nouvelle perception du comportement des fluides. Cette trouvaille est, vous vous y attendiez, le réseau de denticules cutanées recouvrant toute la surface de la silhouette de ce fascinant mais incompris prédateur marin qu'est le requin.

Ce sont, en effet, les études sur ce même corset cutané et se concentrant principalement sur la compréhension de leurs propriétés physiques ainsi que leurs agissements sur l'écoulement du fluide qui ont permis d'infirmer de multiples "prétendus acquis" concernant nos techniques d'hydro et d'aérodynamisme. Ainsi, l'extraordinaire potentiel de pénétration que confèrent ces denticules aux corps qu'elles recouvrent ont poussé l'Homme à maîtriser et utiliser leurs incroyables aptitudes afin de satisfaire notre soif de progrès et de performances. Cependant, quelles sont précisément les forces que ce réseau épidermique complexe permet de faire intervenir et d'annuler ? Quels phénomènes physiques provoque-t-il afin de fluidifier le mouvement du corps dans le fluide et quel est finalement le véritable apport hydrodynamique de ces denticules ?

 

Pour commencer, l'apport hydrodynamique des denticules provient de leur capacité à réduire considérablement l'accumulation des tourbillons à l'arrière du corps du requin et de ce fait empêchent la formation d'une imposante traînée caractérisée par cet écoulement tourbillonnaire. C'est en effet la peau denticulée de ces "sprinteurs des mers" qui a permis, en grande partie, d'éclairer les scientifiques sur les propriétés aérodynamique et sur les qualités de limitation de l'apparition des vortex que possèdent des surfaces non lisses c'est à dire rugueuses, alvéolées (comme les balle de golf) ou, dans notre cas précis, denticulées. Ainsi, les chercheurs ont découvert qu'un corps doté d'aspérité éloigne l'écoulement rompu (et donc tourbillonnaire) du fluide de la partie arrière du corps en mouvement. De cette manière, les vortex ne peuvent se former derrière le corps en question et sont de ce fait moins aptes à ralentir son mouvement, de plus la disposition parfaite des denticules permettent d'appliquer cet effet au mouvement du requin tout en contrôlant l'écoulement de l'eau afin que le déplacement du requin soit plus fluide.

C'est ce que schématise l'animation ci-dessous:

 

A cette réorientation de l'écoulement du fluide vient s'ajouter un phénomène physique propre aux denticules leur prodiguant leur atout mécanique incontestable. En effet, ces denticules sont, chacune, séparées par de minuscules fosses que l'on nomme micro-rainures (d'où la considération du réseau cutané comme étant une surface rainurée). L'eau, lorsqu'elle entre en contact avec le corps du requin, s'engouffre dans ces mêmes micro-rainures; ce qui engendre la formation de mini vortex à l'intérieur des denticules dermiques. De cette manière, ces micro tourbillons se formant entre les denticules permettent de réduire la forte turbulence et par conséquent l'importante force de traînée présente à l'arrière du corps en mouvements et s'opposant à son avancement. La diminution de l'intensité de la traînée est ainsi possible par soustraction des forces de turbulences (chaque micro vortex formé dans les rainures soustrait à hauteur de son intensité l'importance de la force de traînée finale). Ainsi, cette propriété physique indispensable à la nage du requin découverte par les spécialistes en hydrodynamique s'avérera bien assez vite être les prémices à une trouvaille bien plus révolutionnaire. 

 

Cette autre propriété des denticules est directement liée à leur manipulation et l'optimisation des zones de basses pressions. Rappelons nous que ces zones de basses pression sont causées par l'apparition des vortex résultant en une force d'aspiration nuisant à la vitesse de déplacement d'un corps à laquelle nous n'avions trouvé de solutions efficaces jusque-là. Cependant, les denticules ont su mettre à profit ces baisses de pressions locales afin de leur donner un effet sur les mouvements du requin quasiment contraire si ce n'est totalement opposé à leur propriété initiale. Cette aptitude singulière de leur anatomie est possible uniquement grâce à cette découverte majeure désormais connu sous le nom d'effet Riblet. Ainsi, cette loi physique et mécanique consiste en l'exercice par les vortex formés entre les micros rainures d'une force d'aspiration sur l'eau en contact avec le corps du squale, tout comme les tourbillons de la traînée qui aspirent le corps du nageur en mouvement. De cette manière, ces turbulences entre les denticules attirent l'eau à proximité vers elles et donc vers la peau de l'animal, ce qui résulte au final en la diminution de la vitesse d'écoulement du fluide au niveau de la silhouette et en la création d'une fine pellicule d'eau recouvrant l'entièreté du squelette du requin. Ce ralentissement de la vitesse d'écoulement de l'eau au niveau du corps permet ainsi une diminution des frottements et est donc la cause de l'exercice d'une force de friction plus faible. Ensuite la fine pellicule d'eau se formant et restant constamment au plus proche du corps du prédateur permet à terme de prodiguer au requin, lorsqu'il se déplace, une aisance de nage ainsi qu'une fluidité de mouvement donnant alors une impression de "glisse" du requin dans l'eau. Enfin, l'effet Riblet étant la cause de la formation de cette fine pellicule de fluide il permet ainsi de créer une différence soit un net contraste de pression entre l'eau en contact avec le corps et celle qui en est éloignée provoquant de fait l'exercice d'une forte poussée sur le requin, dont l'effet est de le propulser vers l'avant. En effet, la zone de pression normale va comprimer la zone de basse pression et va, par conséquence, appliquer une force de compression sur l'ensemble de la silhouette du squale ce qui donne donc au requin une force de poussée et de propulsion conséquente expliquant finalement la vitesse, la fluidité, la glisse et la furtivité de la nage du requin.

 

Au final, nous pouvons ajouter que la surface des denticules est pourvue de canaux. Ces sortes de digues agissent plus ou moins comme leur pendant humain, les canaux hydrauliques. En effet, ces canaux permettent de rediriger efficacement l'écoulement du fluide et permet donc de conserver la propriété laminaire de son écoulement initial lorsqu'il rencontre le corps du requin en guise d'obstacle. Cette préservation de l'écoulement structuré de l'eau résulte ainsi en une apparition des turbulence qui est moindre. C'est effectivement afin d'éviter au maximum la création d'un écoulement tourbillonnaire du fluide que les denticules arborent ces canaux d'émail.

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C'est ainsi en manipulant l'écoulement du fluide, en réduisant la contrainte que ce dernier représente à son avancement et en maîtrisant son comportement comme l'Homme n'a jamais réussi à le faire et à le comprendre aux termes de plusieurs centaines d'années de recherches et d'abnégation que le requin à réussi à réaliser, ce qu'on croyait impossible. Ces denticules lui ont de ce fait permis d'ignorer les phénomènes physiques de la mécanique des fluides qui était le principal obstacle à nos performances et à notre propre évolution. C'est pourquoi reprendre et imiter leur incroyable apport hydrodynamique était la continuité logique de notre progrès théorique autant que technique concernant la mécanique de milieux que nous connaissons si bien mais que nous maîtrisons encore très mal