Pourquoi le gecko tient-il sur un mur lisse ou une vitre ?
― Ni colle ni ventouse : la force des molécules
Le gecko se promène la tête en bas au plafond d'une vitre, sans le moindre effort. Ses pattes n'ont ni colle poisseuse ni ventouse comme celles d'un poulpe. Comment tient-il alors sur le verre lisse ?
Frottez une règle en plastique sur vos cheveux : elle les attire. Cette « électricité statique » est forte, mais on considère que les molécules de toute matière s'attirent très légèrement les unes les autres.
D'habitude, cette force est trop faible pour qu'on la remarque. Mais que se passe-t-il si on en cumule un nombre incalculable ? C'est exactement ce qui se produit sous les pattes du gecko.
Sous les doigts du gecko, on estime qu'il y a des centaines de milliers de poils extrêmement fins (les soies), chacun se ramifiant en structures encore plus fines, pour un seul doigt.
Quand l'extrémité des poils s'approche tout près de la surface, une faible force attire les molécules entre elles (la force de van der Waals). En s'additionnant des myriades de fois, elle devient assez forte pour porter le corps.
Voyons tour à tour ces « innombrables poils fins » et ce « cumul de petites forces ».
Pourquoi les poils des pattes sont-ils si finement ramifiés ?
La « force de van der Waals », qui attire les molécules entre elles, agit entre toutes les matières. Mais elle est très faible et ne se fait vraiment sentir que lorsque les molécules sont extrêmement proches. Au microscope, la surface d'un objet ordinaire est rugueuse : en pressant deux surfaces l'une contre l'autre, seule une infime partie peut vraiment « s'approcher ».
On pense que le gecko résout ce problème en ramifiant à l'extrême le bout de ses poils. Plus l'extrémité est fine, mieux elle se glisse dans les moindres creux de la surface : davantage de bouts peuvent alors s'approcher à la distance où les molécules s'attirent.
Une ventouse cesse de fonctionner dans un espace presque sans air (proche du vide), mais des expériences auraient montré que le gecko tient au mur même dans un environnement proche du vide. Et contrairement à la colle, il n'est pas collant : il peut se coller et se décoller sans cesse, sans laisser de traces. Ces indices montrent qu'il tient grâce à un mécanisme différent de celui des ventouses et des colles.
Il multiplie à l'extrême l'attirance que les molécules possèdent naturellement entre elles.
Pourquoi peut-il décoller sa patte si vite ?
Malgré cette forte adhérence, le gecko peut courir sur un mur en posant et en levant ses pattes plusieurs fois par seconde. On pense qu'il exploite une propriété de ses poils : pressés sous un certain angle, ils adhèrent fortement ; en changeant l'angle pour les décoller, ils se détachent presque sans effort. C'est comparable à un ruban adhésif : difficile à décoller si on le tire parallèlement à la surface, mais facile à arracher d'un coup sous un angle presque perpendiculaire.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Collez un morceau de ruban adhésif sur une table
- Tirez lentement le ruban sous un angle presque parallèle à la surface (il se décolle difficilement)
- Tirez le même ruban sous un angle presque perpendiculaire à la surface (il se décolle facilement)
- Constatez que, pour une même adhérence, la force nécessaire change beaucoup selon l'angle de décollement
On pense que le gecko utilise un mécanisme semblable pour lever la patte : changer l'angle afin de se décoller sans effort.
Pour résumer
Si le gecko tient sur un mur lisse, ce n'est ni grâce à une colle spéciale ni à des ventouses. On pense que les innombrables poils de ses pattes, ramifiés jusqu'à leur extrémité, exploitent au maximum la force de van der Waals entre molécules. Chaque force est faible, mais des centaines de milliers réunies dépassent de très loin le poids du corps.
Le secret des pattes du gecko n'est pas une colle puissante, mais l'art de rassembler une quantité prodigieuse de forces faibles.
Pour un autre exemple où un nombre énorme de petits éléments compense leur faiblesse individuelle, lisez aussi l'article sur les fourmis, qui traite du rapport entre force musculaire et poids du corps.
Pour aller plus loin ― termes, valeurs et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend au lycée en « physique de base »
- Lycée+La « chimie » du lycée, ou des contenus approfondis ou en encadré dans les manuels
- UniversitéContenus de spécialités universitaires (science des surfaces, biomécanique), non vus au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, sans consensus enseigné même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots de l'adhérence du gecko
- Soie (seta) : structure en forme de poil extrêmement fin, présente sous les doigts du gecko.
- Spatule : structure minuscule en forme de spatule, où se ramifie encore le bout d'une soie.
- Force de van der Waals : faible force d'attraction agissant entre les molécules.
LycéeVérifier par le calcul : l'adhérence des pattes vaut-elle plusieurs fois le poids du corps ?
À partir de l'adhérence d'un poil et du nombre de poils, on estime l'adhérence totale théorique, puis on la compare au poids du corps.
Adhérence totale théorique ＝ adhérence d'un poil × nombre de poils
| Adhérence d'un poil | environ 200 micronewtons (valeur souvent citée dans les expériences) |
| Nombre de poils (total des 4 pattes) | environ 500 000 (valeur indicative souvent citée) |
| Adhérence totale (micronewtons) | 200 × 500000 ＝ 100000000 |
| Conversion en newtons | 100000000 ÷ 1000000 ＝ 100 |
| Résultat | Théoriquement, environ 100 newtons |
| Poids du corps (newtons) | 0.05 × 9.8 ＝ 0.49 |
| Marge de sécurité (fois) | 100 ÷ 0.49 ≒ 204 |
| Résultat | Théoriquement, le gecko peut supporter une force d'environ 200 fois son poids |
※ En réalité, tous les poils des pattes ne donnent pas leur force maximale en même temps : ce chiffre est proche d'une limite théorique. On voit tout de même qu'il existe une très grande marge par rapport à la force nécessaire.
Lycée+Pourquoi la force n'agit-elle que de « très près » ?
La force de van der Waals a la propriété de s'affaiblir très vite quand la distance entre les molécules augmente. Tant qu'on n'est pas à une distance infime, invisible à l'œil (un ou deux diamètres de molécule), on ne la sent presque pas. On pense que la finesse extrême du bout des spatules sert à remplir cette condition de « proximité extrême ».
UniversitéLa mécanique de l'adhésion et du décollement en science des surfaces et biomécanique
En science des surfaces et en biomécanique, on étudie en détail comment la force nécessaire varie selon l'angle sous lequel les soies entrent en contact avec la surface ou s'en détachent. Sur cette base, des recherches développent des matériaux adhésifs artificiels imitant les pattes du gecko (soies synthétiques), pour des applications comme les robots grimpeurs.
RechercheCe qui reste incertain
- Le mécanisme précis de l'autonettoyage, qui empêche les pattes du gecko de se salir malgré un usage prolongé, est encore un sujet de recherche.
- La façon dont le gecko contrôle, par son système nerveux, l'angle des soies et la force appliquée pour poser et lever ses pattes à grande vitesse est également en cours d'élucidation.
- Les techniques de production en grande série de matériaux adhésifs artificiels de type gecko, avec une durabilité et un coût réalistes, font toujours l'objet de recherche et développement en ingénierie des matériaux.
Même une seule petite patte de gecko renferme un sujet riche, à la croisée de la science des surfaces et de la biomécanique, et toujours étudié.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : structure du corps des êtres vivants | Vocabulaire de base : soie, spatule |
| Lycée | Physique de base : équilibre des forces | Calcul comparant adhérence totale et poids |
| Lycée+ | Chimie : forces intermoléculaires (approfondissement) | Variation de la force avec la distance |
| Université | Science des surfaces, biomécanique | Angle de contact et mécanique du décollement, matériaux adhésifs artificiels |
| Recherche | Ingénierie des matériaux, biomimétisme (en cours de recherche) | Autonettoyage, mécanismes de contrôle, techniques d'industrialisation |
- Étude classique de Autumn, K. et al. sur la force d'adhérence des soies du gecko.
- Exposé, dans la documentation de biomécanique, sur la structure des soies et des spatules et sur leur mécanisme d'adhésion.
- Exposé, dans la documentation d'ingénierie des matériaux, sur le développement de matériaux adhésifs artificiels imitant le gecko.
※ Le nombre de poils et l'adhérence par poil sont des valeurs indicatives souvent citées. Les valeurs réelles varient selon l'espèce, l'individu et les conditions de mesure.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des estimations et des repères pour comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varient selon l'espèce, l'individu et les conditions de mesure.