Etude mécanique et aérodynamique d'ailes de libellules (Insecta Odonatoptera)

Mechanical and aerodynamic study of dragonfly wings (Insecta Odonatoptera)

• Auteur / Autrice : Camille Aracheloff
• Direction : Romain Garrouste, Benjamin Thiria, André Nel, Ramiro Godoy Diana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Biologie des organismes
• Date : Soutenance le 10/10/2024
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de systématique, évolution, biodiversité (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Violaine Llaurens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Violaine Llaurens, Dominic Vella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stacey Combes, Jerôme Casas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique

Biomécanique

Ailes d'animaux

Odonata

Mots clés libres

Biomecanique

Fossiles

Bio-Inspiration

Aérodynamique

Flight

Evolution

Biomechanics

Fossils

Biomimetics

Aerodynamism

Vol battu

Evolution

Résumé

Les Odonates, ordre d'insectes comprenant les libellules (Anisoptère) et les demoiselles (Zygoptère), ont des capacités de vol remarquables qui sont le résultat d'interactions fluide-structure complexes avec l'ensemble de leur corps, notamment entre leurs ailes et l'air. Les ailes sont des structures hétérogènes flexibles composées d'une membrane complexe et d'un réseau de nervures qui influencent localement la rigidité. Leurs caractéristiques morphologiques (taille, géométrie, réseau de nervures, présence de structures spécifiques comme le nodus...) présentent une grande diversité du fait du nombre d'espèces d'Odonates et de leur répartition géographique extrêmement large. Les Odonates ont un vol battu au cours duquel les ailes subissent de grands déplacements ainsi que d'importantes déformations. La forme prise au cours du vol a un impact sur la production de force aérodynamique. Or, cette forme est liée aux propriétés mécaniques de l'aile. Nous avons étudié des ailes provenant de 23 spécimens venant de sept familles différentes via des tests de vibration en faible amplitude, permettant de déterminer leur fréquence de résonance dans le cadre linéaire. Dans ce régime, les fréquences de résonance des ailes sont nettement supérieures aux fréquences de vol. Nous nous sommes ensuite penchés sur une famille de Zygoptères, les Pseudostigmatidae, pour laquelle une étude en grande amplitude a pu être menée mettant en évidence un comportement non linéaire des ailes. En effet, lorsque l'amplitude de déplacement augmente on observe une diminution de la fréquence de résonance de l'aile, un décalage vers des fréquences plus faibles par rapport à celle obtenue dans le domaine linéaire. Pour des déplacements similaires à ceux subis lors du vol, les fréquences de résonances se trouvent dans la gamme de fréquences de vol de cette famille. Dans une dernière partie nous nous sommes penché sur la conception d'ailes artificielles et l'étude des forces aérodynamiques via l'utilisation d'un dispositif de vol battu. Nous avons testé des modèles simplifiés d'ailes d'Odonates en nous basant sur les caractères de la nervation afin de mener une étude comparative. Ce dispositif et cette méthode de conception des ailes pourront servir de base pour une étude comparative entre les ailes de taxons modernes et fossiles. Nous pourrons ainsi mieux comprendre l'évolution de ces insectes et les capacités de vol de certaines espèces éteintes comme les Meganeuridae, lignée de géants du Paléozoïque dont les plus grands spécimens avaient une envergure totale avoisinant les 70 cm, ouvrant la porte vers une paléo-bioinspiration utilisant l'immense registre fossile de ces insectes.

Odonata (an order of insects that includes dragonflies and damselflies) have remarkable flight abilities that are the result of complex fluid-structure interactions, particularly between their wings and the air. Wings are flexible heterogeneous structures composed of a membrane and a network of veins that locally influence rigidity. Their characteristics (size, geometry, network of veins, presence of specific structures such as nodus, etc.) are extremely diverse due to the number of Odonata species and their wide geographical distribution.Odonata have a flapping flight in which the wings are subject to considerable displacement and deformation. The shape taken during flight has an impact on the production of aerodynamic force, and this shape is linked to the mechanical properties of the wing. We studied wings from 23 specimens of seven different families using small-amplitude vibration tests to determine their resonance frequencies in the linear domain. In this regime, the resonance frequencies of the wings are much higher than the flight frequencies. We then focused on a family of Zygoptera (Pseudostigmatidae) for which a large amplitude study was carried out, showing a non-linear wing behaviour. The resonant frequencies decreased until they fell within the range of flight frequencies for amplitudes similar to those observed during flight.In the final section, we looked at the design of artificial wings and the study of aerodynamic forces using a flapping flight device. We tested simplified Odonata wing models based on venation in order to carry out a comparative study. This device and the method used to design the wings could be used as a basis for a comparative study between current and past species. This will improve our understanding of the evolution of these insects and the flight capabilities of certain species that are now extinct, such as the Meganeuridae, a lineage of giant insects from the Paleozoic whose largest specimens had a total wingspan around 70 cm, by opening the door to a palaeobioinspiration using the immense fossil record of these insects.