TPE Le Biomimétisme Série: Scientifique

Présentation au sujet: "TPE Le Biomimétisme Série: Scientifique"— Transcription de la présentation:

1 TPE 2011- Le Biomimétisme Série: Scientifique
Matières: Physique et SVT MOHR DURDEZ Théophile – SHAYNE Imran

2 Problématique En quoi le biomimétisme établit-il un lien entre la nature et l’Industriel? Nous nous intéresserons plus particulièrement aux interactions surfaces/interfaces. Pour répondre à cette problématique nous allons prendre pour exemple: le lotus et son revêtement hydrophobe et le mégaptère et ses bosses.

3 Plan I. Le Biomimétisme IV. Annexes 1. Introduction
2. Histoire 3. La démarche biomimétique 4. Quelques exemples 5. Polymérisation et utilisation de la forme 6. Pourquoi le vivant arrive-t-il à faire plus à partir de moins? II. L’effet Lotus 1. Importance du phénomène pour l’être vivant 2. La tension superficielle 3. La double structure 4. La goutte: hydrophilie et hydrophobie 5. Exemples de surfaces de contacts 6. Utilisations industrielles 7. Expérience personnelle III. Le Mégaptère 1. L’histoire de la découverte 2. Notion de portance 3. Le décrochage 4. Le rôle des bosses 5. L’importance du phénomène pour l'être vivant 6. Utilisation industrielle IV. Annexes 1. Sondage sur le biomimétisme Résultats et interprétations: -Questions 1&2 -Questions 3&4 -Question 5 -Exemples cités -Par tranches d’âges Conclusion du sondage avec la question 6 2. Interview V. Conclusion Bibliographie

4 I. Le Biomimétisme Le terme biomimétisme (biomimicry en anglais) provient de bio (vie) et de mimesis (imiter). Cette science vise à copier les formes et les procédés du vivant pour les retranscrire dans le monde industriel. Un exemple d'application bien connu: l’imitation de l’oiseau par l'homme pour construire le premier avion. De nombreuses innovations ont été conçues  grâce au biomimétisme: l'une des plus populaire est le Velcro (1948), inspiré de la Bardane. Des études effectuées récemment sur des animaux, des plantes et des insectes leurs ont découvert des propriétés physiques hors du commun. Innover grâce au biomimétisme est un moyen de recréer un lien entre les activités industrielles et le vivant. Le biomimétisme est une démarche consistant à reproduire artificiellement des propriétés essentielles d'un ou  plusieurs systèmes biologiques. Retour au plan

5 I.1 Introduction L’évolution a au fil du temps causé des changements métaboliques pour une meilleure adaptation des êtres vivants à leurs différents milieux de vie. Sur terre, sur mer ou dans l'air, la nature a su trouver des solutions à beaucoup de problèmes. Avec ses 3,8 milliards d'années d’expérience dans le développement durable, elle nous offre un potentiel énorme. Chez tous les êtres vivants chaque aspect de leur constitution (interne ou externe) a une raison d'être. Il accomplit une fonction particulière souvent essentielle à leur bien être. Une des leçons principale est d’utiliser la forme et l’agencement des espèces chimiques  d'un produit pour en améliorer les propriétés. Le vivant a effectivement réussi à trouver des solutions en modifiant seulement sa structure. Retour au plan

6 I.2 Histoire Voici les traces de son observation du vol des oiseaux:  Depuis longtemps la nature est, aux yeux des inventeurs, une source d’inspiration. La science de l’aéronautique est la première science considérée comme « biomimétique ». Dans les Illustrations des “Machines Volantes” réalisées par le grand Leonard de Vinci, celui-ci a su exploiter le génie de la nature. «Va prendre tes leçons dans la nature, c'est là qu'est notre futur » nous apprend-t-il. Ce sont aujourd’hui de nombreux chercheurs qui s’intéressent au biomimétisme . Cette science a débuté avec l’aéronautique mais est devenue beaucoup plus globale depuis le milieu du XXème siècle. Janine Benyus (the biomimicry institute), Dayna Baumeister (société biomimicry Guild), Ingo Rechenberg, Julian Vincent et Gauthier Chapelle sont à l’origine de l’impulsion visant à séduire l’industriel du XXIème siècle pour un développement plus durable. Le visionnaire du XVIème siècle observait les oiseaux afin d’inventer. Mais le génie de Vinci n’a pas été reconnu lors de son époque et ne sera réutilisé que 500 ans après.  Quatre cents ans plus tard naît le second grand pionnier de l’aéronautique; le français Clément Ader ( ). Le rêve de cet ingénieur était de voler comme les oiseaux. Pour cela il s’inspira directement de la nature et non des bases de l’aérodynamique déjà posées. Le denier pionnier est l’ingénieur allemand Otto Lilienthal ( ). Il inventa le premier appareil volant basé sur l’étude des oiseaux. Retour au plan

7 I.3 La démarche biomimétique
D’abord, afin d'obtenir un produit dit "biomimétique" les chercheurs et inventeurs se posent constamment la question suivante: Quel est le but d’un caractère particulier (bosse etc…) chez un être vivant? Et ensuite ils empruntent la démarche biomimétique suivante qui se découpe en trois phases: L’identification : le chercheur repère un être du vivant présentant une propriété intéressante, et ceci dans tout les domaines (aérodynamisme, structure etc...). Quelle serait l’utilité d’une telle propriété pour nous? Il faut savoir que les chercheurs ne trouvent pas toujours une utilité pour l’humain dans leurs découvertes (par exemple pour le basilique aussi appelé lézard Jésus Christ). La compréhension : Comment s’exprime cette propriété (raison physique/chimique)? Une fois qu’elle a été localisée, les chercheurs s'intéressent à la façon dont s'exprime cette propriété. Le contretypage : Comment retranscrire cette propriété? À l'aide des moyens à la disposition de l'homme on passe à une application de la découverte pour un développement industriel. Le biomimétisme est une science plus complexe que l'on pourrait croire, comme dirait M. Ingo Rechenberg :"Se contenter de copier toute chose, c'est oublier le véritable intérêt du biomimétisme." Les chercheurs démontrent en effectuant de la biomimétique que s'inspirer de la nature ne peut qu’être bénéfique car du à la selection naturelle, le vivant a "filtré" les capacités des êtres vivants et en a laissé les meilleures. L’identification La Compréhension Le Contretypage Retour au plan

8 I.4 Quelques exemples Depuis 3,8 milliard d’années, les animaux, les plantes et les micro-organismes œuvrent sans cesse à imaginer et créer des solutions leur permettant de survivre. Tout ce qui nous entoure aujourd’hui possède donc le secret de la survie. Plus notre monde fonctionnera comme le monde naturel, plus nous pourrons assurer sa durabilité dans tous les domaines. Certains organismes, comme le nautile (ci-dessous), n'ont pas changé de forme et de comportement depuis des millions d'années, démontrant que leur forme est parfaitement adaptée à la vie, sans mutation nécessaire. La nature est un ingénieur talentueux qui sait former des organismes d'apparence simple, consommant un minimum d'énergie et très peu polluants. Tout le contraire de ce que l'homme a pu faire au cours du siècle dernier.  Pour se faire une idée de l´intérêt et de l’infinie richesse du biomimétisme, suivent quelques exemples d´applications biomimétiques parmi d´innombrables autres: Retour au plan

9 I.4.a Les pattes du gecko Certains pneus neiges s'inspirent des doigts du gecko dont la structure constitue un adhésif très efficace et auto-nettoyant ce qui leur donne une meilleure adhérence à des surfaces glissantes. Les doigts des geckos sont recouverts de poils microscopiques qui, grâce aux forces de Van der Waals, constituent un extraordinaire adhésif inusable et toujours propre. Les ingénieurs travaillent sur un adhésif qui pourrait être utilisé sur des Post-it ou des pansements qui résistent à l’eau, ou même dans le cadre de la nano-chirurgie. Retour au plan

10 I.4.b Le papillon morpho Teijin Fibers s’inspire des papillons Morpho pour produire des fibres sans colorant ni pigment. La couleur est créée à partir des variations d’épaisseur et de structure des fibres. En effet, les couleurs que nous voyons sur les ailes des papillons sont dues aux jeux de lumière dans les structures de ces écailles, plutôt qu’à la présence de pigments. Les écailles de leurs ailes sont faites de plusieurs couches de protéines qui réfractent la lumière de différentes façons, plus besoin d´utiliser de teinture... Ce phénomène à été appliqué sur beaucoup de produits notamment sur ce bateau de la marque Wally. Retour au plan

11 (Entreprise de production de soie d‘araignée artificielle.)
I.4.c La toile d‘araignée La soie des araignées est à la fois plus solide et plus souple que le Kevlar (fibre synthétique à la fois souple et très résistante). Sa structure microscopique lui confère ces propriétés.  De plus, elle est produite à température ambiante avec des matériaux organiques communs non-toxiques. En effet grâce à des chercheurs américains elle est produite par des vers à soie transgéniques.  (Entreprise de production de soie d‘araignée artificielle.) Retour au plan

12 I.4.d La peau du Requin La peau des requins est couverte de denticules cutanés, où l'eau s'engouffre à travers des microrainures sans que cela ne gêne la nage du requin. Elles permettent même de générer de minuscules tourbillons qui attirent l'eau près du corps de l'animal et de réduire l'effet de résistance. Le phénomène est connu sous le nom d'"effet Riblet". Il à été appliqué par l´entreprise Speedo sur des combinaisons mais également comme revêtement anti-bactérien pour des hôpitaux. Retour au plan

13 I.4.e Le Martin-pêcheur Au Japon, un TGV, le Shinkansen, relie Osaka et Hakata, en traversant de nombreux tunnels. Or l´air est comprimé dans les tunnels et la résistance augmente. Il paraissait impossible de rentrer à pleine vitesse (300km/h) dans les tunnels sans causer de dégâts. Les ingénieurs se sont alors tournés vers le martin-pêcheur qui arrive à changer de milieu et de densité lorsqu´il plonge dans l´eau. Ils ont imité la forme de sa tête pour réaliser la tête du Shinkansen. Résultat: Le TGV a gagné 10% en vitesse pour une réduction de la consommation électrique de 15%. Retour au plan

14 I.4.f Le papillon de nuit Lors des années 1960, des chercheurs ont observés que les yeux des papillons de nuit réfléchissent considérablement moins la lumière grâce à la structure de leurs yeux qui absorbe les rayons lumineux. Cet animal a développé cette propriété afin de passer inaperçu pendant la nuit. La découverte est en cours d'application pour les panneaux photovoltaïques, en effet les panneaux que nous utilisons actuellement perdent leur efficacité car ils réfléchissent trop la lumière. L’application de la microstructure des yeux des papillons permettrait une réduction du réfléchissement de la lumière de 40%. Retour au plan

15 I.4.g Le diable épineux Le diable épineux est un lézard qui vit dans le désert australien. Cependant, il n’a ni besoin de boire en se penchant, ni besoin de trouver des sources d’eau. Le lézard a pour cela développé une propriété qui lui est propre: il peut acheminer l’eau du sol de ses pieds à sa bouche par capillarités, grâces à ses écailles. Cela lui permet de s’abreuver à partir d’un sol sec. C’est actuellement le biologiste Andrew Parker qui travaille au contretypage de cette propriété. Il envisage d’utiliser cette extraordinaire caractéristique pour sauver les populations en manque d’eau dans les milieux arides. L’eau, est et a toujours été essentielle à la survie de l’homme et est de plus en plus convoitée. Retour au plan

16 I.5 Polymérisation et utilisation de la forme
L'homme, à défaut d’utiliser la forme, a eu recours à la création de nouveaux polymères (macromolécules) / matériaux qui sont parfois nuisibles à la nature et longs à la désintégration. En fait, l’Homme n'a pas cherché à modeler ces produits pour utiliser la forme, à la place il a créé artificiellement de nouveaux polymères parfois polluants. La nature utilise 5 polymères (ensemble de macromolécules de même nature chimique formant un système. C´est à dire un assemblage de grandes molécules.) alors que l' homme en fait usage d'environ 350. La  5 polymères utilisés par la nature pour pouvoir créer toute la vie sur terre sont : Polysaccharides: cellulose (bois, papier, fibres végétales), amidon, amylose, etc Lignine Protéines: laine, soie, collagène, etc. Caoutchouc naturel Polyhydroxyalkanoates Retour au plan

17 I.6 Pourquoi le vivant arrive-t-il à faire plus à partir de moins?
Sachant que lorsque l’homme produit quelque chose il y a en moyenne 96% de gâchis et 4% de produit (Janine Benyus), il est évident que si l’on se calquait sur la nature on pourrait réduire le gâchis et produire plus à partir de moins. Par exemple si on fait le compte pour 1kg de coton ( c’est-à-dire pour un jeans), ce sont 5000 à litres d’eau, 75g de pesticides et 2 kg d’engrais chimiques qui sont utilisés. La production finale (le jeans) représente donc ici moins de 1% ( en pourcentage massique) des ressources mobilisés sans prendre en compte la consommation en énergie. Il se remet constamment en question grâce à l’évolution via la sélection naturelle. En effet, tous les organismes s’adaptent à leur environnement: les mutations qui leurs sont bénéfiques rendent certains individus d’une même espèce plus résistants que d´autres. Ou inversement dans le cas d’une mutation pathologique. Il se régénère et s’assemble seul et n’a donc pas besoin d´être "réparé" par l’extérieur. Il opère même à l’échelle microscopique ce qui lui permet de faire plus dans un moindre volume et donc de gâcher moins de matière. Il utilise la forme comme dit et expliqué précédemment. Retour au plan

18 II. L’effet Lotus Le Lotus
Le lotus est une plante d'Asie vivant dans les marécages. Cette plante est considérée comme un symbole de pureté, et par les bouddhistes comme le symbole de leur Dieu. Bien que, résidant dans un milieu boueux, elle reste toujours immaculé. Aucune particule de saleté ne s'accroche à elle, ces dernières sont dégagées à chaque averse. Pourquoi une goutte d'eau ressemble-t-elle à une perle quand elle est posée sur une feuille de lotus, alors qu'elle s'étalerait sur du verre ? L’effet Lotus est connu en Asie depuis plus de 2000 ans, mais ce n'est qu'au début des années 70 avec l'introduction du microscope électronique que l'effet lotus a été étudié. Le premier à avoir effectué des recherches poussées est le botaniste allemand Wilhelm Barthlott. L’effet lotus repose sur le principe suivant: La combinaison entre la couche cireuse sur l’épiderme de la plante et la structure nanométrique rugueuse de la plante. Retour au plan

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20 II.1 Importance du phénomène pour
l'être vivant La feuille de lotus constitue l'exemple le plus populaire de la super-hydrophobie, mais des comportements similaires sont observables sur plus de 200 plantes et animaux, comme en Europe certaines feuilles de nénuphar, de capucine ou de ginkgo biloba. Pour la plante, la signification biologique de cet effet auto-nettoyant réside en la protection contre une colonisation par des micro-organismes et des agents pathogènes tels des germes comme les champignons ou encore la prolifération d’algues. Il en va de même pour les animaux comme les papillons, les libellules et autres insectes qui n’arrivent pas à nettoyer toutes les parties de leur corps à l’aide seule de leurs pattes. Une autre action positive de l’auto-nettoyage est de prévenir la salissure qui pourrait empêcher la pénétration de la lumière, et avec elle la photosynthèse. Elle pourrait aussi obstruer les stomates (orifice épidermique des végétaux permettant des échanges gazeux avec l'extérieur) mettant ainsi leur vie en danger. Retour au plan

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22 Tension superficielle en y (N.m-1)
II.2 La tension superficielle Avant de parler de l’effet lotus, il est important de connaître la signification de «tension superficielle » aussi appelée «énergie inter faciale». C’est grâce à elle qu’une goutte d’eau ne s’étalera jamais totalement sur un support. L'H2O est une molécule polaire, et possède donc une charge partielle. De ce fait, les molécules d´eau voisines s'attirent entre elles, on parle de force intermoléculaire. La surface de la goutte d'eau est «tendue» parce que les molécules la constituant sont dirigées vers l'intérieur  de la goutte et s'attirent. Le volume de la goutte est ainsi réduit et atteint son minimum. Un autre facteur contribuant à la forme sphérique d'une goutte est que dans un milieu gazeux elle est soumise à une légère compression due à la pression qui règne. La forme de la surface résulte donc de l'équilibre entre la pression du gaz, l'attraction par l'intérieur du liquide, et le poids si l'on est en présence de pesanteur. L'étalement plus ou moins important va ensuite dépendre de la nature de la structure du solide. Dans le cas du Lotus, c’est sa double structure qui cause sa super hydrophobie. Liquide Tension superficielle en y (N.m-1) eau éthanol huile végétale mercure éther Retour au plan

23 II.3 La double structure L'effet lotus repose en fait essentiellement sur la structure superficielle de la plante. En effet, le phénomène est d´abord physique: La surface du lotus possède une géométrie nanométrique rugueuse. L'épiderme est composé de papilles hautes de 10 à 20 microns et éloignées les unes des autres d'environ 10 a 15 microns. Ce sont en fait des cristaux de cires formés via les pores du lotus. On peut parler d´effet "fakir". Comme quand un fakir se pose sur des clous, une goutte d'eau se pose sur les papilles. L'eau repose donc sur une surface de solide et d'air. Des poches d'air sont ainsi piégées dans la structure et la surface de contact avec le solide ainsi que les frottements sont moindres. Une goutte ne peut s’étaler car son affinité avec l´air est très faible. Ce qui explique qu’une goutte s’étale moins sur un lotus que sur un autre support entièrement solide et plan. Cette nanorugosité donne au Lotus son caractère super hydrophobe, c'est à dire que l'angle de contact de la goutte est de plus de 90°. À cela s´ajoute un effet chimique: le verre, contrairement à la cire qui recouvre la feuille de lotus, a une forte affinité pour l'eau. Ainsi, une goutte d'eau s'étale plus facilement sur du verre propre que sur du verre recouvert d'huile ou de cire. Retour au plan

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25 II.4 La goutte: hydrophilie et hydrophobie
L’hydrophilie: Lorsque l’angle de contact est inférieur à 90° La surface de contact avec la goutte est  maximale. L’hydrophobie: Lorsque l’angle de contact est supérieur à 90° la surface de contact de l’eau est minimale.                                                              Une goutte posée sur un lotus: Grâce à la double structure (à la fois physique et chimique ) de la surface du lotus les gouttes d'eau ont une surface de contact allant jusqu'à 170° c'est à dire qu'environ seulement 0,6% de l'aire de la goutte est en contact avec la double structure (air+cire). L’adhérence entre la surface de la feuille et la goutte d’eau est alors si faible, que l’eau peut glisser et s’égoutter en perlant. Les particules de saletés, qui elles aussi ont une adhérence moindre sur le lotus, sont alors détachées de la feuille et expulsées. Ceci donne au Lotus sa propriété auto-nettoyante. Retour au plan

26 II.5 Exemples de surfaces de contacts
Pour mieux illustrer ce qu’est la surface de contact d’un liquide nous avons pris des photos du mercure, de l’eau, de l’éthanol et de l’huile végétale pour pouvoir les comparer (Les résultats fournis ne sont pas fiables à 100% parce que nous ne savons pas si les supports utilisés ont une influence sur l’étalement du liquide): L’étalement presque totale de l’éthanol s’explique par sa faible tension superficielle et aussi peut être parce que le support attire la molécule C2H6O: sa surface de contact est minime voire nulle. C’est pour cette raison que nous avons décidé que ca ne valait pas la peine de le schématiser. - Comme précédemment évoqué, on dit que l’eau posée sur un lotus « ressemble » au mercure : Sur cette photo nous pouvons voir que la surface de contact du mercure est d’environ 135° (nous vous rappelons qu’une goutte posée sur un lotus a une surface de contact d’environ 170° ). La goutte d’eau présente un angle de contact d’environ 65° avec le support. La goutte d’huile végétale a un angle de contact d’environ 25° avec le support . Rappel sur la tension superficielle des différents liquides: Liquide Tension superficielle en y (N.m-1) eau éthanol huile végétale mercure éther (mercure) (huile végétale) (eau) Retour au plan (Photos prisent au laboratoire de notre école)

27 II.6 Utilisations industrielles
Néanmoins, la publicité utilise souvent à dessein la dénomination mensongère “easy to clean” (facile à nettoyer). Dans le cas d’auto-nettoyage par des surfaces microscopiques et nanoscopiques superhydrophobes, il s’agit d’un phénomène purement chimico-physique que l’on peut appliquer de façon biomimétique à des surfaces techniques. Le premier produit commercial a été en 1999 la peinture auto-nettoyante pour façades (Lotusan®). Entre-temps il existe avec ce seul produit environ 50 000 bâtiments de par le monde qui ont été enduits de “revêtements-Lotus”. Les verres auto-nettoyants issus du principe du lotus de la société Ferro GmbH constituent un autre domaine d’utilisation: ils ont été installés dans les capteurs optiques situés aux péage des autoroutes allemandes. La Société EVONIK AG a, quant à elle, développé des prototypes de laques et de matières plastiques. Une entreprise textile italienne a appliqué le principe de l’effet lotus à des tissus. L´effet lotus appliqué au vestimentaire contribuera certainement à une véritable révolution. (Photo prise d’un carton que nous avons peint avec une peinture Lotusan) (Photo issue du magazine pour bateaux SVB) Retour au plan

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29 II.7 Expérience personnelle
Le but de notre expérience sera de montrer que lorsqu'une goutte glisse sur une surface hydrophile et sur une surface hydrophobe, les forces de frottement des supports est moindre pour la surface hydrophobe à effet lotus. Pour notre TPE nous avions décidé de faire une expérience dont le protocole expérimental est décrit ci-dessous. Malheureusement, lorsque nous avons essayé le produit que nous nous sommes procuré il n´était pas suffisamment effectif pour que la goutte ne se délite pas. Nous avons vu d´autres produits dans des vidéos mais ils sont réservés aux entreprises. Cependant une telle expérience serait intéressante, c'est pourquoi nous avons rédigé son protocole expérimental. Matériel nécessaire: Une plaque de verre simple (2,50m) – Une plaque de verre revêtu de la solution à effet lotus – Une caméra – Une pipette – Aviméca (logiciel) – Regressi (logiciel). A On prélèvera deux gouttes d'eau distillées identiques de masse 0,4 grammes; la masse étant essentielle pour avoir la valeur de la force gravitationnelle. On inclinera les deux plaques de verre (environ 20°) et on laissera glisser sur chacune d´elles une goutte d'eau. (Réaction normale) Goutte d’eau zA-Zb (Frottements) Voici notre démarche afin de trouver la valeur de la force des frottements:  La trajectoire de la goutte sera filmée de profil et on effectuera un pointage sur la goutte pour chaque vidéo à l’aide d'Aviméca. Puis le tableau issu du pointage sera collé dans Regressi et l'on pourra déterminer quelle est la vitesse finale atteinte par la goutte. On calculera d’abord la longueur (zA-zB) : sin20= (zA-zB)/250 soit sin20*250= (zA-zB) = 85,5 cm. On a : WAB(P) + WAB(Rn) + WAB(F)= Ec(B) – Ec(A) Or WAB(Rn) = 0 car (Rn) et AB sont orthogonaux et Ec(A)=0 car vA (vitesse initiale) est nulle. On a donc : WAB(F) = Ec(B) – WAB (P) Or les frottements sont opposés au déplacement donc WAB(F) = -AB*F et on a : -AB*F= 0,5*m*(vB)²- m*g*(zA-zB) Soit F = [0,5*m*(vB)²- m*g*(zA-zB)] / -AB Or –AB = -250cm et (zA-zB) = 85,5cm. Donc: F= [ 0,5 * (0,4*10^-3) * (vB)² - (0,4*10^-3) * 9,81 * (85,5*10^-2) ] / -2,50 F= [ (2,0*10^-4) * (vB)² - (3,36*10^-3) ] / -2,50 (Poids) Ensuite on utilisera le théorème de l'énergie cinétique sachant que le travail de la réaction normale (vecteur Rn) du support est nul, connaissant la valeur de la vitesse finale (vf) et la valeur du travail du poids WAB(P). Ainsi on pourra déterminer la valeur de la force de frottement du support ou réaction tangentielle pour chaque plaque. Puis on appliquera le théorème de l’énergie cinétique (La variation de l’énergie cinétique pour un corps entre deux points est égale à la somme du travail des forces extérieurs appliquées sur ce corps entre ces deux points.) 20° B Les forces extérieurs exercées sur la goutte sont : Son poids (vecteur P que l’on notera P) ; La réaction normale du support (vecteur Rn que l’on notera Rn) et la force des frottements du support (vecteur F que l’on notera F). Nous négligerons les frottements de l’air. On pose A le point de départ de la goutte, B le point d’arrivé de la goutte, zA et zB leurs altitudes respectives, la masse m de la goutte 0,4*10^-3 et g l’intensité de la pesanteur sur la terre. On a donc AB la longueur de la trajectoire. Ce calcul sera effectué pour les deux plaques. Retour au plan

30 III. Le Mégaptère La baleine à bosses, aussi appelée mégaptère, est un
mammifère cétacé de grande taille (13-14m de long) et pèse en moyenne 25 tonnes. Malgré ce que l'on pourrait croire, la baleine à bosses, est un cétacé extrêmement agile. Les bosses situées sur leurs nageoires pectorales permettent aux baleines d'éviter les risques de décrochage lors des virages, en facilitant l'écoulement de l'eau. Si ces caractéristiques inspirent depuis longtemps les ingénieurs en aéronautique, ce sont récemment les concepteurs d'éoliennes qui s'y intéressent. Retour au plan

31 III.1 L’histoire de la découverte
En 2004, un biologiste américain spécialisé dans les dynamiques de locomotion, Frank Fish, faisait ses courses dans un magasin quand il remarqua une figurine de baleine à bosses. Son observation le surpris: "C'est paradoxale. Il y a des bosses sur l'avant de ses nageoires. Normalement c'est toujours un bord d’attaque droit."(traduit) Il a réagi de telle façon parce il a comparé les nageoires à tous les autres schémas de nageoires qui lui étaient connus.   Après cette observation, il a fallu analyser cette caractéristique dans les yeux d'un initié au biomimétisme: "tout a une raison d'être dans la nature, rien est superflu". Dr.Fish pensait que les tubercules devaient d'une manière ou d'une autre donner un avantage hydrodynamique au mastodonte.          En effet, ses recherches ont confirmées son hypothèse. Après un test sur une réplique de nageoire dans  une soufflerie, Frank Fish et ses collègues Loren Howle et Mark Murray ont découvert que les tubercules engendraient une réduction de 32 % de la traînée, et un accroissement de 6 % de la poussée ascendante, comparés à une nageoire de bord lisse. Cette découverte va à l'encontre de l'intuition commune qui voudrait qu'une surface soit la plus lisse possible telle une lame de rasoir, afin de limiter la résistance et la perte d'énergie. Retour au plan

32 III.2 Notion de Portance Un corps placé dans un écoulement d’air ou d'eau subit une force aérodynamique ou hydrodynamique. Pour l’analyse, on décompose cette force en une composante selon la direction du vent ou courant relatif, la trainée, et une composante perpendiculaire : la portance. Pour une aile ou une nageoire, la portance est dirigée du bas vers le haut. Pour expliquer le phénomène, il faut prendre en compte la viscosité de l’air (ou de l’eau) avec un avion pour exemple.  En contournant la partie supérieure de l’aile, à haute vitesse, l’air entraîne avec lui des tonnes d’air situé au-dessus de lui ce qui créé une forte dépression au dessus des ailes. D‘autre part il y a une forte pression sous l'aile due à l’inclinaison de celle-ci par rapport au mouvement. La forte pression en-dessous et la sous-pression au-dessus de l’aile induisent la portance et donc la montée de l'avion. La portance dépend de l’inclinaison de l’aile par rapport au mouvement. Plus l’angle d’attaque est important, plus la portance est forte et le corps monte. L’eau et l’air ont les mêmes principes de dynamique et la baleine à bosses subit le même phénomène. Retour au plan

33 III.3 Le décrochage Nous savons que les pilotes augmentent l'angle
Schéma décrochage >16° Nous savons que les pilotes augmentent l'angle d'attaque du profil d'aile afin d'accroître la portance; mais dès que l'aile atteint son angle critique, l'air qui passe au dessus de l'aile se «détache» d'elle et l'aile «décroche» il n´y a plus de portance. Il s´avère que la nageoire du mégaptère est beaucoup plus performante. Surprise générale: l'angle critique d'attaque est bien plus élevé que par exemple pour l'aileron entièrement lisse d'un dauphin: 31° au lieu des 16 ° pour l’aileron du dauphin!                                                Turbulences Schéma décrochage >31° Turbulences Retour au plan

34 III.4 Le rôle des bosses Grâce à ses bosses les flux d´eau sont redirigés de part et d´autres des bosses. De ce fait l´eau ne se décroche pas de la nageoire puisqu'elle est canalisée par les bosses ou plutôt par les creux entre les bosses et n´est ainsi pas brutalement déviée. Cela crée des tourbillons au niveau des tubercules, mais les flux d'air redeviennent laminaires (parallèles entre eux) au bord de fuite. La portance s'en retrouve accrue de 8 %. Retour au plan

35 III.5 L’importance du phénomène pour l‘être vivant
Les bosses situées sur le bord d’attaque de leurs nageoires pectorales permettent aux baleines d'éviter les risques de décrochage lors des virages, en facilitant l'écoulement et l'accrochage de l'eau. Ces bosses sont essentielles pour la chasse car le mégaptère piège des poissons dans un "filet" de bulles, en cercles serrés. Les baleines maitrisent ainsi l'art du virage aiguë malgré leur taille importante et peuvent plus facilement attrapper leurs proies. De plus, ces tubercules, qui sont en fait des follicules pileux, jouent aussi un rôle de protection contre le froid car ce sont de bons isolants thermiques, ce qui évite des fuites de chaleur. (Voici une vidéo montrant la technique de chasse adoptée par les baleines à bosses) Retour au plan

36 III.6 Utilisation industrielle
Cette performance est en fait une véritable révolution pour l’aéronautique: on peut en effet supposer que si l’on appliquait la même structure aux ailes d’avions la maniabilité et la vitesse de ces derniers s’en retrouveraient accrus et le coût des vols serait moindre. La société canadienne Whalepower créée en 2004 a élaboré des pales d'éoliennes calquées sur les nageoires des baleines à bosses. Ce procédé apporte un rendement énergétique de +20% : Des tests effectués Par l'Institut de l’Énergie Éolienne montrent que les turbines d'éoliennes dotées de pales crantées ont un gain en production énergétique de 20%. C'est un progrès énorme si l'on considère qu'accroître le rendement de plus de 2% est un exploit. De plus, l'éolienne biomimétique gagne fortement en stabilité et s'avère moins bruyante, résistant ainsi mieux aux tempêtes. Retour au plan

37 Sondage sur le biomimétisme
Nous avons effectué un sondage sur le biomimétisme en allemand et en français  en Allemagne (Düsseldorf) et en France (Bretagne). Le but de ce sondage est de savoir si le biomimétisme est un phénomène connu et bien vu aux yeux de la population. Nous avons posé les questions suivantes à 200 personnes que nous avons départagé en 4 tranches d‘âges: (catégorie n°1) / (catégorie°2) / (catégorie n°3) / 61 ou plus (catégorie n°4): 1.) Est ce que vous connaissez le terme le "biomimétisme"? / Kennen Sie den Begriff Biomimetik? 2.) Si oui, expliquez / Wenn ja, erklären sie worum es sich handelt 3.) Connaissez vous le principe selon lequel on s'inspire de la nature pour créer de nouvelles innovations techniques? / Kennen Sie das Prinzip in dem man sich von der Natur inspiriert, um neue technische Innovationnen  zu konzipieren? 4.) Maintenant que vous savez ce qu'est le biomimétisme, auriez vous quelques exemples à nous donner? / Da Sie jetzt wissen was die Biomimetik ist, können sie uns konkrete Beispiele geben? 5.) À votre avis, l'inspiration de la nature peut-elle faire progresser la science? / Ist, Ihrer Meinung nach, die Natur eine Quelle für einen wissenschaftlichen Fortschritt? 6.) À votre avis, devrait-on plus investir dans le domaine du Biomimétisme? / Sollte man, Ihrer Meinung nach, mehr in der Biomimetik investieren. Retour au plan

38 Résultats et interprétations: questions 1&2
Les résultats de ces deux premières questions nous montrent que le terme « biomimétisme » est pratiquement inconnu et aussi que ceux qui prétendent le connaitre s’avèrent avoir associé le biomimétisme à autre chose qu’à sa réelle définition. La non-popularité s’expliquerait d’une part par la nouveauté de l’intérêt pour biomimétisme et d’autre part par le manque d’importance accordée au biomimétisme. Retour au plan

39 Résultats et interprétations: questions 3&4
En revanche ces résultats nous montrent qu’en fin de compte le biomimétisme est relativement connu par son principe mais pas par son nom. Cela soulignerait le fait que le biomimétisme en tant que tel n’est pas beaucoup mis en avant. Plus de la moitié des personnes interrogées n’ont pas pu donner d’exemples du biomimétisme alors que 84% des personnes connaissent le principe. Retour au plan

40 Résultats et interprétations: question 5
La quasi-totalité des personnes interrogées croit que la nature peut enrichir le savoir de l´homme en ce qui concerne la science. Cela nous montre que d’après les personnes interrogées l’homme devrait dans le futur, d’avantage s´inspirer de la nature. Nous précisons que parmi les 3% ne se trouvaient aucune personne de la catégorie d’âge 1 (14-25), ce qui nous montre que la nouvelle génération a de l’espoir dans la nature. Retour au plan

41 Résultats et interprétations: exemples cités
Après avoir interrogé les personnes sur des exemples nous avons décidé de faire un diagramme afin de mettre en évidence la popularité des exemples. Commençons par dire que parmi les nombreux innovations conçues grâce au biomimétisme seulement 8 ont été citées. On observe que l’effet lotus, que nous avons traité, est l’exemple le plus populaire avec 1/3 des citations (nous vous rappelons que c’est la découverte de l’effet lotus, après la bardane, qui a engendré le début d’un intérêt pour le biomimétisme). Il nous paraissait évident, avant d’avoir commencé le sondage, que les ailes d’avion donc l’aérodynamique des oiseaux, aurait été le plus cité. Or il arrive en deuxième place avec, étonnement, la toile d’araignée. Aussi, il est surprenant que l’effet Riblet (peau des requins) soit peu connu alors que la population « courante » y est plus confrontée. La natation fait grand usage de combinaisons à effet Riblet pour les jeux olympique par exemple. Ces dernières ont même fait scandale dans les médias parce qu’elles étaient trop hydrodynamiques lors de compétitions et ont maintenant été interdites. De plus, les drones, les sonars et la forme du shinkansen (TGV japonais), ne sont pas des innovations utiles à la vie courante. Et enfin, la forme des pales/ailes d’avion inspirées du mégaptère n’as pas été citée alors qu’elle améliore considérablement le rendement économique en aéronautique. Il faut tout de même préciser que la découverte de cette performance est très récente (environ 2005). Retour au plan

42 Résultats et interprétations: par tranches d’âges
L’intérêt d’avoir départagé les personnes interrogées en classe d’âge est de montrer la popularité de ce phénomène chez les différentes générations. Nous pouvons constater que les jeunes sont plus informés sur l’actualité et sur les sciences nouvelles que les personnes plus âgées de 45 ans. Retour au plan

43 Conclusion du sondage avec la question 6
Pour les résultats de cette question nous avons plusieurs interprétations : - Seules certaines personnes pensent au coût associé à la production de répliques biomimétiques qui est en effet élevé car elles demandent une profonde réflexion des chercheurs et la mise au point de techniques nouvelles. De plus le contretypage s’avère parfois complexe et coûteux : Les grandes entreprises ne voient pas toujours un profit dans le bio-mimétisme. Les personnes qui ne savaient pas ou qui étaient contre ont toutes évoqué ce problème de coût. Les réponses étaient souvent : « ca dépend combien », «il faut voir si c’est rentable ».  Elles ont aussi dit qu'il y avait déjà assez de domaine dans lesquels il fallait investir plus. - Quand une personne entend "bio" la personne pense (souvent) au développement durable et à une harmonie avec la nature, idée de plus en plus répandue de nos jours. La plupart du temps les gens ne font en effet pas la différence entre entre le biomimétisme et le naturel/bio. Or cela n’a rien à voir car les produits biomimétiques ne sont pas obligatoirement créés à partir de matériaux naturels. C´est un point sur lequel M.Beck a voulu insister. Les produits biomimétiques sont plus économiques et de meilleure qualité mais ne sont pas nécessairement naturels. C´est certainement pour cela que de nombreuses personnes ont répondu par «oui »parce qu'ils ont associé le biomimétisme à la vague de produits bio et durables qui nous entourent et sont très positivement vus. La société d’aujourd’hui pousse la jeunesse à croire dans des solutions données par la nature. Retour au plan

44 2.Interview (traduit de l'allemand)
- Le fait d’être vue en tant qu’entreprise biomimétique, a t-il un impact sur votre image et vos ventes? “ Attention, qu’il n’y ait pas de malentendus! Le biomimétisme c’est reporter des concepts naturels dans l´industrie mais ca ne veut pas dire nécessairement qu´on utilise pour cela des produits et ressources naturels. Copier la nature n´a rien a voir avec la façon dont elle est reproduite. On n´utilisera pas obligatoirement des matières premières durables. Mais c´est vrai que le fait de s´inspirer de la nature améliore notre image auprès de nos clients. “ - Est-ce que les prix de ventes compensent les coûts de production de produits biomimétiques? Est-ce rentable? “ Le biomimétisme génère un meilleure image, cependant c´est vrai que les produits doivent être accessibles pour les clients. Ce sont eux finalement qui décident s´ils peuvent en tirer des bénéfices et nous fixons un prix de vente. Un produit qui n´est pas acheté n´est en suite plus produit. “ Nous avons réalisé une interview de M. Horst Beck chercheur en tant que spécialiste de la bionique et du biomimétisme chez Henkel : -Que représente la nature pour l’industriel d’aujourd’hui? “De nos jours l’homme ouvre les yeux sur la Nature pour en apprendre les concepts et les reporter dans la technologie” -Et dans votre entreprise? “Même dans la colle, il est très intéressant de voir ce que fait la nature: les moules s´accrochent aux roches sous l´eau, l´araignée attrape d´autres insectes avec sa toile collante et la larve phrygane construit des maisons sous l´eau à partir de sable et d’autres matériaux de construction...” -Que pouvez-vous nous dire sur l’effet lotus? “L’effet Lotus à d´abord été étudié et décrit en profondeur par le professeur Barthlott qui a les droits d´appellation pour l’effet lotus. J´ai eu le plaisir de visiter il y a quelques années le professeur Barthlott à Bonn à ce sujet. Il possède des images électroniques fascinantes de la structure micro-rugueuse du lotus. Je trouve cela particulièrement intéressant comme le lotus arrive à construire ces structures microscopiques à partir de cire à travers des pores spéciaux pour réduire le coût énergétique de la construction. Nous essayons chez Henkel de faire des colles liquides capables d´adhérer au lotus car si elles en était capables elles pourrait coller partout. ” - Est-il intéressant en tant que chercheur de travailler dans le domaine du biomimétisme? “Oui, cela nous apporte évidemment aussi quelque chose nous chercheurs et employés. On a plus envie de travailler pour un entreprise qui a une image positive que pour un entreprise qui a une mauvaise image ou qui est compromise dans des scandales. C´est également extrêmement intéressant d´ouvrir les yeux sur la nature et d´en apprendre quelque chose, nous cherchonons créer une colle qui serait aussi efficace que celle des moules et autres coquillages. Cependant elle doit être simple à utiliser et pas très chère.“ Retour au plan

45 V. Conclusion En outre, le biomimétisme est très récent et n’a pas dévoilé tous ses innombrables secrets. Il est temps que l’on ouvre les yeux sur le génie qu'est la Nature. L’homme n’a jamais voulu admettre qu'elle a trouvé une solution à un grand nombre de problèmes complexes grâce à 3,8 milliards d’années d’adaptation. Le biomimétisme nous ouvre de nouvelles perspectives en révolutionnant notre façon de penser. En effet les solutions qu’il nous offre vont à l’encontre de l’opinion et de l’intuition commune. La nature nous apprend notamment que le lisse est moins aérodynamique et hydrodynamique que le rugueux et que les liquides adhèrent moins au rugueux qu’au lisse. Le biomimétisme c’est aussi admettre qu’il y a plus intelligent et plus efficace que l’homme: Le vivant. Une solution vivante c’est une solution qui s’adapte à ses besoins et qui se renouvelle constamment. Nous pensons pour cela qu’il est nécessaire de donner plus d’importance à ce domaine et d’accepter que la nature nous surpasse. Pour finir, le biomimétisme peut aussi être un réel apport pour le futur de l’humanité. En effet, il ne faut pas seulement se focaliser sur son aspect économique car il a une véritable dimension humaine. L’aboutissement de recherches en cours sur des animaux, tel le diable épineux permettrait entre autres, d’abreuver les populations en zone aride. De nos jours lors de la production d’un bien quelconque, l’homme fait en moyenne 96% de gâchis et seulement 4% de produit fini. C’est pour cela que l’industriel doit tendre vers des solutions moins polluantes et plus durables. L’Homme à toujours cherché à progresser et la Nature lui permet aujourd’hui selon nous de révolutionner ses acquis et d’avancer sur une voie plus économique en énergie donc plus écologique. À nos yeux, le biomimétisme est un moyen idéal de recréer un lien entre la nature et l’industriel puisqu’il propose des solutions non seulement rentables mais aussi moins polluantes et voraces en énergie. C’est exactement ce que recherche l’industrie, des innovations écologiques de qualité pour une clientèle qui aspire de plus en plus à des produits en harmonie avec la nature. Il faut savoir que le biomimétisme ne trouve pas seulement une utilisation dans notre vie quotidienne mais aussi pour des grandes institutions telles que la NASA. Retour au plan

46 Bibliographie plus-etonnantes/peau-de-requin-la-seconde-qui-fait-la-difference.shtml (exemples et introductions) (exemples et introductions) (shémas portance) Livre: Werner Nachtigall, Bionik ,teubner Livre: Armin on Gleich, Bionik, teubner Livre: Biomimicry: Innovation inspired by nature by Janine Benyus Magazine pour bateau, SVB Émissions sur ARTE Retour au plan