Aucun courant d’air requis : les araignées en montgolfière dépendent des champs électriques pour générer de la portance

En 1832, Charles Darwin a vu des centaines d’araignées en montgolfière atterrir sur le HMS Beagle tandis qu’à quelque 60 milles au large. La montgolfière est un phénomène connu depuis au moins l’époque d’Aristote et immortalisé dans le classique pour enfants d’EB White La toile de Charlotte– mais les scientifiques n’ont fait que récemment des progrès dans la compréhension de sa physique sous-jacente.

Maintenant, les physiciens ont développé un nouveau modèle mathématique incorporant toutes les différentes forces en jeu ainsi que les effets de plusieurs fils, selon un article récent publié dans la revue Physical Review E. Auteurs M. Khalid Jawed (UCLA) et Charbel Habchi ( Notre Dame University-Louaize) ont basé leur nouveau modèle sur un algorithme d’infographie utilisé pour modéliser la fourrure et les cheveux dans des films à succès tels que Le Hobbit et Planète des singes. Les travaux pourraient un jour contribuer à la conception de nouveaux types de capteurs de ballons pour les explorations de l’atmosphère.

Il existe des hypothèses concurrentes sur la capacité des araignées en montgolfière à flotter dans les airs. Par exemple, une proposition postule que, à mesure que l’air se réchauffe avec le soleil levant, les fils de soie que les araignées émettent pour faire tourner leurs « parachutes » attrapent les courants de convection ascendants (le courant ascendant) qui sont causés par les gradients thermiques. Une deuxième hypothèse soutient que les fils ont une charge électrique statique qui interagit avec le faible champ électrique vertical dans l’atmosphère.

Agrandir / La montgolfière Érigone l’araignée utilise de fins fils de soie d’araignée pour capter les courants de champ électrique et les courants d’air.

Des études expérimentales ont exploré les deux hypothèses sur les araignées en montgolfière. Par exemple, une étude de 2018 dans Current Biology a révélé que les araignées semblent capables de détecter les champs électriques dans des conditions atmosphériques naturelles. Cela déclenche un comportement de ballonnement, suggère l’étude, et les champs électriques fournissent une force suffisante pour générer une portance.

Une deuxième étude de 2018 dans PLOS Biology a rendu compte d’expériences avec des araignées-crabes en montgolfière. Le co-auteur Moonsung Cho, ingénieur aérodynamique à l’Université technique de Berlin, a été inspiré après avoir repéré plusieurs araignées sauvages en montgolfière lors d’une promenade dans le parc Lilienthal de la ville. Lui et ses collègues ont construit une plate-forme extérieure et, une par une, ils ont placé une douzaine d’araignées-crabes qu’ils avaient capturées sur la plate-forme, filmant leur comportement en montgolfière. Les plates-formes émettaient une fine poudre afin que la vitesse et la direction du vent soient visibles. Ils ont également mené des expériences similaires dans une soufflerie, avec un moulinet placé derrière les araignées sur la plate-forme pour enrouler des lignes de soie pulvérisées comme s’il s’agissait de lignes de pêche.

Cho et al. ont constaté que les araignées semblaient tester les conditions avant de décoller en levant une ou deux pattes avant dans les airs. Si les vents étaient suffisamment faibles (environ 3 mètres par seconde), les araignées se retourneraient alors, se tiendraient sur la « pointe des pieds » et lèveraient leurs fesses vers le ciel. Ensuite, ils lançaient plusieurs fils de soie qui formaient un parachute triangulaire. Les araignées s’ancreraient au sol avec une ligne de traînée pendant ce processus et ne se détacheraient qu’après que le parachute aurait commencé à les emporter.

Cho et ses collègues ont également déterminé que le brin moyen de soie d’araignée mesurait 9 pieds de long et à peine 200 nanomètres de diamètre (moins que la longueur d’onde de la lumière visible). À ces échelles, a déclaré Cho au Washington Post, « l’air est très collant, comme du miel ». Il a conclu que la combinaison d’air collant et de fils étroits est ce qui donne aux araignées suffisamment de portance pour voler dans les airs.

Il y a également eu des études de simulation impliquant un seul thread. Cependant, personne n’avait encore simulé les effets de fils multiples sur le gonflement, en tenant compte de l’effet de la force de répulsion électrostatique sur la forme des fils ainsi que de la vitesse de gonflement. Jawed et Habchi ont entrepris de combler cette lacune dans la littérature.

Ils ont utilisé un algorithme qui divise essentiellement chaque fil de soie en plusieurs segments ressemblant à des brins de spaghetti, qui peuvent tous se plier, s’étirer et se tordre. À la manière d’un véritable physicien, ils ont modélisé un Érigone araignée comme une sphère, mesurant 2 millimètres de diamètre. Différentes variantes de la simulation avaient deux, quatre ou huit fils attachés au sommet de la sphère en araignée, et le modèle supposait que les fils étaient recouverts de charges électriques.

Jawed et Habchi ont également incorporé plusieurs autres facteurs dans leur modèle : la gravité, le champ électrique atmosphérique, la charge électrique des fils et la traînée (résistance de l’air) sur les fils. Par APS Physique :

Dans les simulations, l’araignée commence au repos sur le sol et est soulevée par le champ électrique. Alors que les fils chargés, initialement droits, restent attachés à l’araignée, leur répulsion mutuelle les fait se séparer sur une période de temps. Au fur et à mesure que l’araignée accélère vers le haut, la traînée vers le bas augmente et, combinée au poids de l’araignée, finit par annuler la force de levage. Cette compétition entre les forces ascendantes et descendantes détermine la vitesse ascendante finale (terminale) d’une araignée.

Les simulations ont montré que les fils multiples ne s’emmêlaient pas lorsqu’ils étaient chargés. « Nous pensons que, au moins pour les petites araignées, le champ électrique, sans aucune aide des courants d’air ascendants, peut provoquer un gonflement », a déclaré Habchi, ajoutant que les araignées plus grandes auraient besoin d’un coup de pouce du flux d’air ascendant. Les vitesses verticales (8,5 cm/s) étaient conformes aux études expérimentales récentes, et les charges électriques réparties uniformément sur le fil ou simplement à la pointe étaient également capables de générer une portance.

DOI : Physical Review E, 2022. 0.1103/PhysRevE.105.034401 (À propos des DOI).