Efficacité énergétique inspirée par la nature dans les hélices de bateau

Beaucoup de petits et moyens animaux nagent en utilisant une méthode appelée locomotion intermittente. Cette technique de nage est différente de celle des grands animaux qui nagent de manière continue. Le style intermittent, souvent appelé burst-and-coast, aide ces animaux à économiser de l'énergie en se déplaçant dans l'eau. Cet article explore comment cette idée peut inspirer des designs de Hélices pour les bateaux afin d'améliorer l'efficacité énergétique.

#Locomotion Intermittente dans la Nature

Quand on observe la nature, on se rend compte que de nombreux animaux utilisent la locomotion intermittente. Par exemple, les oiseaux ont deux styles de vol : plané ou rebondir dans les airs. Les poissons utilisent aussi cette méthode en prenant de courtes, puissantes coups de nage suivis de côtes dans l'eau. Même les humains peuvent profiter d'un bon glissement en nageant. Les équipes d'aviron peuvent ajuster leur rythme de rame pour réduire la traînée et améliorer leurs performances.

Un chercheur nommé Weihs a été le premier à étudier comment l'efficacité est liée à la nage intermittente. Son travail a suggéré que le passage entre mouvements actifs et glissements passifs peut être bénéfique pour les poissons nageant à une vitesse constante. Cette efficacité dépend de plusieurs facteurs, comme la durée des coups (duty cycle) et la traînée rencontrée pendant les phases de nage.

#Avantages de la Nage Intermittente

Dans des études avec des poissons koi, il a été démontré que, lorsqu'ils nagent en utilisant leur corps, les poissons peuvent subir une traînée jusqu'à quatre fois plus importante que lorsqu'ils glissent. Cette réduction drastique de la traînée pendant le glissement peut entraîner des Économies d'énergie significatives. Des études plus récentes utilisant des modèles informatiques de nage de poissons révèlent que les poissons ajustent leurs schémas de nage pour minimiser leur consommation d'énergie, réalisant des économies de 3 % à 26 % en nageant.

#Configuration Expérimentale

Dans nos expériences, on a utilisé un petit bateau jouet conçu pour reproduire la locomotion intermittente avec une hélice qui pouvait changer de forme. Le bateau a été placé dans un canal avec un débit d'eau contrôlé. L'hélice a été spécialement conçue pour se plier et se déplier en fonction de son mouvement. Notre objectif était de voir à quel point cette hélice pouvait imiter les techniques d'économie d'énergie utilisées par les poissons.

#Résultats des Expériences

Avec notre hélice reconfigurable, on a découvert que la propulsion intermittente fonctionnait mieux que la propulsion continue. En fait, elle réduisait la consommation d'énergie jusqu'à 24 %. On a développé un modèle pour expliquer comment cette économie d'énergie se produisait. Le facteur clé était une chute significative de la traînée pendant la phase de glissement lorsque l'hélice était repliée, comparé à quand elle était en mouvement actif.

On a réalisé nos tests à trois vitesses d'eau différentes et mesuré divers paramètres pour trouver le moyen le plus efficace pour le bateau de se déplacer. Les résultats ont montré qu'au fur et à mesure que le bateau passait d'un mouvement continu à des poussées intermittentes, l'énergie requise diminuait considérablement.

#Différences de Traînée Entre les Phases

Un constat important était que la force de traînée sur le bateau pendant la phase de glissement diminuait de 80 % par rapport à la phase de nage active. Cette réduction a confirmé des découvertes chez les poissons nageant, où la position du corps de l'animal s'aligne avec le flux d'eau pendant le glissement, entraînant moins de traînée. Nos expériences ont confirmé que lorsque l'hélice était repliée, le bateau subissait moins de résistance, ce qui améliore l'efficacité énergétique.

#Effet du Duty Cycle

On a examiné de près comment le duty cycle (le ratio des phases actives aux phases passives) influençait la performance. Dans nos tests, à mesure que le duty cycle diminuait, la vitesse angulaire nécessaire pour l'hélice augmentait. Ce changement signifiait que l'hélice créait de la poussée pendant un temps plus court, nécessitant plus d'effort chaque fois qu'elle bougeait. Cependant, le design repliable permettait toujours moins de consommation d'énergie globale.

Pendant nos tests, on a constaté que des duty cycles plus courts (plus de glissement) étaient moins efficaces dans certains cas en raison de l'énergie gaspillée pour surmonter l'inertie lorsqu'on partait de l'arrêt. À des vitesses de bateau plus élevées, l'impact du duty cycle devenait moins significatif.

#Modèles Théoriques de Gain d'Efficacité

Pour mieux comprendre le gain d'énergie provenant du mouvement intermittent, on a développé des modèles théoriques. Ces modèles examinaient comment la poussée et la traînée jouaient dans la consommation d'énergie. On a noté que la puissance mécanique fournie par l'hélice durant les phases actives et de glissement influençait l'efficacité globale.

Dans nos modèles, on a trouvé que l'efficacité de la propulsion intermittente s'améliorait à mesure que le contraste de traînée entre les deux phases diminuait. Quand les contrastes de traînée étaient faibles, la propulsion intermittente fonctionnait mieux que la propulsion continue.

#Observations de la Recherche

Notre recherche a confirmé que la locomotion intermittente pouvait offrir des avantages distincts lorsqu'elle était appliquée à des systèmes artificiels, comme des bateaux utilisant des hélices. Cette découverte s'applique à tout système entraîné par un fluide face à une traînée élevée, où l'efficacité énergétique est importante.

Maintenant, on peut appliquer ces résultats pour améliorer les designs de bateaux et d'autres véhicules qui reposent sur des principes similaires. Cela montre que reproduire des méthodes de mouvement naturelles peut mener à des solutions innovantes pour des défis énergétiques communs.

#Conclusion

Pour conclure, l'étude de la locomotion intermittente dans la nature révèle d'importantes opportunités pour améliorer la conception des hélices. En imitant les schémas de mouvement efficaces des petits animaux, on peut créer de meilleurs systèmes pour économiser de l'énergie dans divers modes de transport. Ce travail ouvre la voie à d'autres recherches sur l'efficacité énergétique dans les systèmes aquatiques et aériens. Les idées tirées ici pourraient mener à des applications pratiques qui profitent non seulement à l'ingénierie mais aussi à la durabilité dans le transport.