Mesure de l'hydrodynamique de la nage des serpents

Measuring snake swimming hydrodynamics

• Auteur / Autrice : Vincent Stin
• Direction : Ramiro Godoy Diana, Anthony Herrel, Xavier Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Antkowiak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Ern
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Tytell, Karen Mulleners

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie expérimentale

Dynamique des fluides

Nage animale

Locomotion

Serpents

Hydrodynamique

Mots clés libres

Hydrodynamique

Serpent

Nage

Hydrodynamics

Snake

Swimming

Résumé

De nombreuses espèces de serpents ont démontré des adaptations remarquables pour la locomotion aquatique et possèdent des morphologies relativement simples. Cela fait des serpents un sujet excellent pour l'étude de la dynamique des fluides dans la nature.Nous avons initié notre étude en menant une revue complète de la nage anguilliforme, le mode de locomotion auquel les serpents appartiennent. Au cours de cette revue, nous avons minutieusement exploré les caractéristiques anatomiques des nageurs anguilliformes et les mécanismes sous-jacents qui régissent leur locomotion aquatique. De plus, nous avons discuté de la compréhension contemporaine des interactions hydrodynamiques qui en résultent.Les travaux présentés sont dédiés au développement de diverses méthodes expérimentales visant à étudier la dynamique des fluides de la locomotion des serpents. Nous avons premièrement caractérisé la cinématique d'individus de différentes espèces de serpents au moyen d'une série d'essais de nage, révélant des tendances et des schémas cinématiques cohérents au sein de plages similaires.En utilisant la ''defocused digital particle tracking velocimetry'' (DDPTV), nous avons effectué des mesures de la traînée en trois dimensions lors de la nage de serpent en immersion. Cette approche a apporté de nouvelles perspectives sur la topologie en forme d'épingle à cheveux de la traînée et ses mécanismes de formation. Les mesures de l'énergie cinétique de la traînée ont révélé une perte d'énergie substantielle pendant la locomotion. De plus, une analyse de l'impulsion tridimensionnelle des tourbillons générés a indiqué une similarité dans les interactions fluides à travers les serpents étudiés.Nous avons également exploré la formation de la traînée lors de la nage en surface, une zone inexplorée pour les nageurs oscillatoires macroscopiques en général. Les vagues induites ont été caractérisées à l'aide de l'imagerie synthétique Schlieren, une méthode rarement utilisée en biologie expérimentale. Nos résultats suggèrent qu'une quantité significative d'énergie était dissipée par la traînée des vagues, mais qu'elle était partiellement compensée par la production de poussée des vagues se propageant dans la direction opposée au nageur.Enfin, les connaissances acquises à partir des mesures de la traînée ont été complétées par l'estimation des forces de poussée. Nous avons utilisé un modèle mixte réactif/résistif avec un grand ensemble de données de serpents nageant collectés sur le terrain. Nos résultats ont montré que les forces résistantes prédominaient sur les forces réactives dans toutes les séquences de nage étudiées.

Many snake species have displayed remarkable adaptations for aquatic locomotion and possess relatively simple body structures. This makes snakes an excellent subject for studying fluid dynamics in nature.We initiated our study by conducting a comprehensive review of anguilliform swimming, the mode of locomotion to which snakes belong. During this review, we meticulously explored the anatomical characteristics of anguilliform swimmers and the underlying mechanisms governing their swimming locomotion. Additionally, we discussed the contemporary understanding of the resulting hydrodynamic interactions.The subsequent portion of the thesis was dedicated to the development of various experimental methods aimed at investigating the hydrodynamics of snake locomotion. Our initial step involved characterizing the kinematics of individuals from different snake species through a series of swimming trials, revealing consistent kinematic patterns within similar ranges and trends.Utilizing defocused digital particle tracking velocimetry (DDPTV), we conducted measurements of the wake in three dimensions during subsurface swimming. This approach offered novel insights into the hairpin-like topology of the wake and its formation mechanisms. Assessments of wake kinetic energy disclosed a substantial energy loss during locomotion. Additionally, an analysis of the three-dimensional impulse of the generated vortices indicated a similarity in fluid interactions across the studied snakes.Furthermore, we investigated wake formation during surface swimming, an unexplored area for macroscopic oscillatory swimmers in general. The induced waves were characterized using synthetic Schlieren imaging, a method rarely used in experimental biology. Our results suggest that, while a significant amount of energy was dissipated by wave drag, it was partially compensated by the production of thrust from waves travelling in the opposite direction to the swimmer.Finally, the knowledge gained from the wake measurements was complemented by the estimation of thrust forces. We used a mixed reactive/resistive model with a large dataset of swimming snakes collected in the field. Our results showed that resistive forces predominated over reactive forces in all the swimming sequences studied.