Le rythme de locomotion crée de la puissance et de la vitesse

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14018 (2023) Citer cet article

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Cet article aborde deux questions : pourquoi certains animaux (grenouilles, nageurs de brasse, volants en vol stationnaire, méduses) poussent rapidement contre le fluide environnant puis avancent lentement, et si ce rythme de propulsion est une manifestation du phénomène universel d'évolution de la conception dans la nature. . L'accent est mis sur la répartition des périodes de temps de locomotion dans lesquelles, pendant la phase motrice du mouvement cyclique (la course motrice, phases 1 et 2, en alternance avec la course dissipative, phase 3), le travail est généré (phase 1). et dissipée (phase 2). Les longueurs relatives des temps caractéristiques t1 et t2 des phases 1 et 2 sont prédites. La durée relative des trois phases proposées d'un cycle est le « rythme ». L'analyse est basée sur un modèle de la manière dont les sections efficaces des parties du corps en contact impactent le milieu environnant, l'eau ou l'air, et la puissance totale requise pour tenir compte des pertes d'énergie cinétique au cours des phases 2 et 3, qui sont dues pour entraîner les forces imposées par le milieu environnant. La configuration du corps (sections transversales des membres) détermine les vitesses des membres qui maximisent la puissance moyenne, ainsi que les temps t1 et t2 au cours de la course motrice. L'accent est mis sur la liberté de modifier la conception évolutive. La liberté est représentée de deux manières : le nombre de degrés de liberté dans le changement des dimensions du modèle et sa déformation dans le temps, et l'effet des changements évolutifs sur l'accès du corps à son espace disponible. La liberté de modifier la conception de la locomotion conduit à une puissance et une vitesse accrues.

Avez-vous remarqué que les grenouilles et les nageurs de brasse repoussent l’eau rapidement et avancent lentement ? Avez-vous également remarqué qu'après le mouvement de poussée et d'atteinte, leurs corps « glissent » pendant un intervalle de temps comparable aux deux premiers ? Pourquoi cela arrive-t-il? Quel est le lien entre ce rythme et l’évolution du design animalier et de son mouvement sur terre ?

Dans cet article, nous abordons ces questions de manière fondamentale, en nous basant sur la théorie. Ce travail est prédictif, car il s'appuie sur la loi physique de l'évolution de la conception dans la nature, la loi constructive1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19. Tout d’abord, passons en revue les principaux termes et concepts utilisés dans l’article, qui établissent des ponts entre la physique, la conception animale et l’ingénierie : locomotion, thermodynamique, dynamique des fluides, conception, modèle, échelle, liberté et évolution.

La locomotion (ou transport, pour les humains) est un mouvement ayant un but, pour offrir l'accès aux animaux et aux personnes en mouvement, d'un endroit à un autre. Le mouvement s'effectue contre un milieu : dans l'eau, sur terre et dans les airs. La puissance entraîne le mouvement, et toute la puissance est dissipée à mesure que le corps en mouvement avance contre l’opposition posée par le médium. C’est en un mot la thermodynamique de la locomotion.

La thermodynamique est plus large que la dynamique des fluides2. La thermodynamique signifie chauffage (therme, Gr.) et puissance (dynamis, Gr.). Entre les flux de chaleur et de puissance, il existe des configurations de flux macroscopiques (conceptions) qui convertissent la chaleur en puissance et le mouvement entraîné par cette puissance (appelés moteurs, animaux, véhicules), ou convertissent la puissance et le mouvement en chaleur (appelés refroidisseurs, réfrigérateurs). , freins, dissipateurs). Le « chauffage » provient de processus (combustion, métabolisme) qui consomment des quantités mesurables connues sous le nom de nourriture, carburant, exergie, énergie libre, valeur calorique, etc. Le taux de consommation (par exemple, métabolisme) ne doit pas être confondu avec l'énergie générée pour provoquant un mouvement (par exemple, la locomotion). Entre les deux se trouve la conception de flux qui convertit partiellement le premier en second.

L'essentiel en thermodynamique et cet article est la configuration de l'écoulement – ​​la conception – son mouvement dans l'espace et dans le temps, et son évolution. L'évolution signifie changement après changement dans une direction perceptible pour l'observateur.