Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de jun/jui/aoû 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 3,9 Mo

  • Dans ce numéro : l'observatoire spatial Fermi.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Les animaux fabriquant des pièges pour capturer des proies sont relativement rares. L’exemple le plus connu est l’araignée qui utilise l’adhésion de sa toile pour fixer la proie. La larve de fourmilion fabrique dans du sable un piège qui tire parti des lois de la friction pour faire glisser la proie (généralement une fourmi) vers le prédateur. C’est en observant certaines caractéristiques du piège de cet insecte que nous avons été amenés à étudier, puis à mettre en évidence, les particularités de la friction sur un matériau granulaire. 16 Reflets de la Physique n°58 Pièges à fourmis Jérôme Crassous (1) (jerome.crassous@univ-rennes1.fr), Antoine Humeau (2,3), Samuel Boury (1,4) et Jérôme Casas (2) (jerome.casas@univ-tours.fr) (1) Institut de Physique de Rennes, Université Rennes 1, Campus de Beaulieu, 35042 Rennes Cedex (2) Institut de Recherche sur la Biologie de l’Insecte (IRBI), Université François Rabelais, 37200 Tours (3) Office National de la Chasse et de la Faune Sauvage, 78610 Auffargis (4) École normale supérieure de Lyon, 69007 Lyon Un insecte bâtisseur Les fourmilions font partie d’un ordre d’insectes, les neuroptères qui, à l’état adulte, ressemblent grossièrement à une libellule, et dont un autre représentant plus connu est la chrysope. Aux stades larvaires, le fourmilion mesure entre un et une dizaine de millimètres, et vit dans des milieux sablonneux secs. Il construit son piège en éjectant du sable avec la tête, en même temps qu’il opère un déplacement à reculons en forme de spirale. L’opération, qui dure de l’ordre d’une heure, aboutit à un cratère conique, d’une profondeur de quelques centimètres, dans le sable. Des relevés de la topographie du piège montrent que sa forme est très proche de celle d’un cône, avec un angle constant entre la paroi du cône et l’horizontale (fig. 1a). Cet angle est inférieur de quelques (typiquement 5) degrés à la valeur de l’angle d’avalanche du milieu granulaire. L’angle d’avalanche est l’angle maximal auquel on peut incliner un matériau granulaire avant qu’il ne s’écoule franchement. Le fourmilion est enfoui dans le sable vers le bas du piège (fig. 1b). Le piège étant maintenant prêt, le fourmilion attend sa proie. Un insecte s’aventurant sur les pentes du piège a alors tendance à glisser le long de la pente. Le fourmilion n’attend pas que sa proie lui arrive dans les mandibules mais fait des jets ciblés de sable, afin de déstabiliser sa proie. Si celle-ci descend jusqu’au fond du piège, les mandibules du fourmilion se referment sur elle (fig. 1c) et immobilisent la proie, qui se fait dévorer. Le fourmilion n’a pas vraiment le choix de sa proie, et ne peut que rejeter ce qui ne lui convient pas. Ceci pose la question de comment construire un piège efficace ? Cette construction animale est souvent utilisée afin d’illustrer le concept d’avalanche granulaire. Notre explication est très différente et demande de revisiter certaines lois de la tribologie. Lors de sa glissade, la proie tente de remonter la pente pour échapper à son prédateur. Une étude systématique de l’efficacité du piège a été menée à l’Institut de Recherche sur la Biologie de l’Insecte à Tours. Pour cela, des fourmis de différentes espèces ont été déposées délicatement sur la paroi des pièges. Les pièges sont tous construits dans un sable modèle et identique (billes de verre de 0,25 millimètre de diamètre), aux propriétés physiques bien définies. À partir de ces données, la probabilité de la capture d’une fourmi en fonction de ses paramètres physiques (masse) ou biologiques (espèce) peut être déterminée. Il ressort de ces mesures que l’efficacité du piège varie avec la masse de la fourmi  : des fourmis d’une masse de 2 mg sont capturées avec une probabilité de 55%, probabilité qui chute à 35% pour des masses de 0,5 mg, et à 15% pour 6 mg. Une observation attentive montre également que les fourmis qui sont en difficulté ne déclenchent pas d’avalanches dans le cône, ou alors seulement des perturbations restreintes spatialement, mais plutôt patinent sur un sol qui se dérobe sous leurs pattes, comme si le sol était un tapis roulant. Se pose alors la question de comment décrire la friction solide à la surface d’un tel substrat.
Objet sur une pente granulaire Les lois phénoménologiques de la friction entre deux solides ont été découvertes par Charles Coulombet Guillaume Amontons. Pour faire glisser deux solides l’un par rapport à l’autre, il faut appliquer une force tangentielle (parallèle à la surface de contact supposée plane) qui est proportionnelle à la composante de la force appliquée normale à la surface de contact ; la constante de proportionnalité est appelée coefficient de friction statique. Ce coefficient est par ailleurs indépendant de la surface apparente de contact et de la force normale appliquée. Sa valeur numérique ne dépend que de la nature des corps en contact et est couramment comprise entre 0,1 et 1. En dépit de sa grande simplicité, cette description phénoménologique de la friction est très robuste pour des situations très variées de contacts solides. Ces lois supposent implicitement que les surfaces sont rigides. À fortes pressions (par exemple friction de roches étudiée en géologie), ou pour des matériaux très mous (friction des pneus en caoutchouc), des déviations aux lois de Coulombse produisent. Dans le cas des milieux granulaires, on peut donc anticiper que les lois de la friction vont dépendre des pressions appliquées si celles-ci deviennent de l’ordre de la pression exercée par les grains à la surface de l’empilement granulaire. Pour vérifier ce point, nous avons réalisé des expériences simples de stabilité sur un plan incliné. Un milieu granulaire modèle est incliné à un angle q inférieur à l’angle 0 -, 1 d’avalanche q a. Des objets sont posés délicatement à la surface, et on mesure s’ils sont en équilibre stable ou, au contraire, s’ils glissent le long de la pente. Pour certaines inclinaisons et objets, le glissement ou le non-glissement a un caractère aléatoire. L’expérience est alors recommencée plusieurs fois afin de déterminer une probabilité de glissement. La figure 2 représente la probabilité de glisser d’un objet de surface inférieure plane fixée en fonction de sa masse M et de l’écart angulaire au seuil d’avalanche, Dq = q a - q. Conformément à l’intuition, pour une masse fixée, plus le matériau est incliné (plus Dq est petit), plus la probabilité de glisser est importante. En revanche, à inclinaison q fixée, la probabilité de glisser varie de manière non triviale avec la masse de l’objet. Des objets Avancées de la recherche 1. Pièges en entonnoir de larves de fourmilion. (a) Relevé topographique d’un piège, montrant sa forme conique. (b) Représentation d’une larve de fourmilion, mandibules ouvertes, au fond de son piège, avec une fourmi en train de glisser. (c) Photographie d’une fourmi capturée au fond d’un piège (photo issue du film La larve de fourmilion, propagation d’ondes dans le sable.) Y (mm) a c 20 10 0 -10 -20 -512 -520 -528 -30 -20 -10 0 10 Z (mm) X (mm) b légers ou lourds ont tendance à ne pas glisser, alors que des objets de taille intermédiaire ont au contraire tendance à glisser. Ce comportement est en violation des lois d’Amontons-Coulombqui stipulent que le coefficient de friction est indépendant de la pression appliquée. Remarque importante  : dans ces expériences, pour peu que l’on ne s’approche pas trop près (deux degrés en deçà) de l’angle d’avalanche q a, on ne déclenche pas d’avalanche. Autrement dit, le solide glisse sur le milieu granulaire et emporte des grains dans sa glissade, mais l’angle formé entre le milieu granulaire et l’horizontale n’évolue pas à l’échelle de l’échantillon. C’est ce diagramme de stabilité que nous allons maintenant essayer de comprendre. CNRS Images A. Fertin et J. Casas a Reflets de la Physique n°58 17



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