Pourquoi le coup de poing de la crevette-mante brise-t-il une coquille d'un seul coup ?
― Si vite que l'eau se met un instant à « bouillir »
Dans l'eau, bouger vite est très difficile. L'eau est environ 800 fois plus lourde que l'air et résiste fortement à tout objet en mouvement. Pourtant, la crevette-mante paon, longue d'une dizaine de centimètres, lance son poing dans l'eau à plus de 20 mètres par seconde. Si vite que l'eau juste derrière le poing se déchire et devient de la vapeur, sans même être chauffée.
Dans votre bain, dressez la paume de la main et poussez l'eau de toutes vos forces. Lentement, ça bouge facilement. Mais si vous essayez d'aller vite, l'eau devient soudain très lourde. Bouger vite dans l'eau est déjà, en soi, une épreuve.
Dans les récifs coralliens vit une créature capable de briser, dans cette même eau, les coquilles de bigorneaux ou de carapaces de crabes pour les manger : la crevette-mante paon, cousine des crevettes-mantes que l'on trouve parfois en sushi.
Son arme est une patte repliée devant le thorax, en forme de marteau. Au moment du coup, elle va si vite qu'une caméra ordinaire ne capte rien : la patte semble avoir disparu.
Seulement deux raisons
Les muscles produisent de la force, mais ne se contractent pas vite. La crevette-mante comprime donc lentement, avec ses muscles, une sorte de « ressort », qu'elle bloque avec un verrou. Au moment où le verrou se libère, toute la force accumulée propulse le marteau d'un seul coup.
Derrière tout objet qui se déplace vite dans l'eau, la pression chute. Au-delà d'environ 14 mètres par seconde, la pression chute tellement que l'eau devient de la vapeur, même à température ambiante. Le choc de l'effondrement de ces bulles constitue le « second coup ».
Le premier point explique comment produire une vitesse capable de surmonter le poids de l'eau. Le second est le bonus inattendu que cette vitesse engendre. Voyons cela dans l'ordre.
Le muscle tend le ressort, le verrou libère le coup
Les muscles ont une propriété : plus ils se contractent lentement, plus ils produisent de force ; plus ils se contractent vite, moins ils en produisent. Pour frapper vite en repoussant une eau si lourde, la seule force musculaire ne suffit pas.
À la base de la patte de la crevette-mante paon se trouve une pièce dure et élastique, en forme de selle de cheval. Le muscle comprime cette pièce lentement, avec le temps — exactement comme on tend un arc. Pendant ce temps, la patte reste bloquée par un petit verrou.
Quand le verrou se libère, toute la force accumulée se libère en seulement quelques millièmes de seconde. La pointe du marteau atteindrait, selon les mesures, jusqu'à environ 23 mètres par seconde, soit plus de 80 kilomètres par heure. L'accélération correspondrait à environ 10 000 fois celle de la gravité.
Ce principe — accumuler lentement puis libérer d'un coup — est le même que celui du saut de la puce. Les créatures qui veulent produire une grande vitesse avec un petit corps comptent sur un ressort plutôt que sur leurs muscles.
Aller vite, c'est faire « déchirer » l'eau derrière soi
Quand un objet se déplace dans l'eau, l'eau contourne l'arrière pour combler l'espace laissé vide. Mais si l'objet va trop vite, l'eau n'a pas le temps de suivre. L'eau à l'arrière se trouve étirée, et sa pression chute.
Regardez la figure 1. L'axe horizontal représente la vitesse du marteau, l'axe vertical la pression de l'eau juste derrière lui. Plus la vitesse augmente, plus la pression chute brutalement, selon une courbe parabolique. Si la vitesse double, la chute de pression est environ quadruplée.
Quand la pression chute suffisamment, l'eau se vaporise sans qu'on ait besoin de la chauffer. La température d'ébullition de l'eau dépend en effet de la pression ambiante. En haute montagne, où la pression est basse, l'eau bout à moins de 100 °C. Poussé à l'extrême, ce phénomène fait qu'une eau de mer à 25 °C environ peut se vaporiser sur place.
Ce phénomène s'appelle la cavitation. On sait depuis longtemps que les bulles de cavitation érodent peu à peu la surface des hélices de bateaux. La crevette-mante paon, elle, le provoque autour de son propre poing.
L'instant où la bulle s'effondre devient le « second coup »
La bulle qui apparaît ne dure pas longtemps. Dès que la pression environnante revient, elle est écrasée avec une force extrême. Au moment de l'effondrement, l'eau converge de tous les côtés vers l'endroit où se trouvait la bulle et s'y heurte, créant un petit choc.
Regardez la figure 2. De gauche à droite : ① le ressort accumule de la force, ② le marteau frappe la coquille (premier coup), ③ la bulle formée dans l'interstice s'effondre (second coup). Du point de vue de la coquille, c'est presque le même endroit qui est frappé deux fois en un temps très court.
Les chercheurs qui ont mesuré directement la force ont rapporté un impact du marteau atteignant jusqu'à environ 1500 newtons, une force proche de celle d'un poids de 150 kilogrammes, soit plusieurs milliers de fois le poids du corps de l'animal. La force de l'effondrement des bulles aurait été, elle aussi, d'une grandeur proche, juste derrière.
Une coquille qui ne se brise pas au premier coup voit malgré tout, à force d'être frappée deux fois à chaque fois et de façon répétée, ses fissures s'élargir peu à peu. C'est ainsi que même la coquille dure d'un bigorneau finit par céder.
Si vous entendez un « clac, clac » sur l'estran, c'est peut-être une crevette pistolet. Cette crevette referme sa pince en un instant et projette un jet d'eau violent. On sait que le son de ce « clac » provient de l'effondrement de la bulle ainsi créée. On a même observé une faible lumière émise à l'instant où la bulle s'effondre.
La surface du marteau est faite d'un minéral dur, de la même famille que les os et les dents. À l'intérieur, de fines couches de fibres s'empilent en changeant progressivement de direction, comme un escalier en colimaçon. Même si une fissure apparaît, elle serait déviée à chaque couche de direction différente qu'elle rencontre, et ne pourrait pas avancer tout droit vers l'intérieur.
En résumé
La crevette-mante paon libère d'un coup un ressort tendu par ses muscles, lançant son poing dans l'eau à plus de 20 mètres par seconde. Cette vitesse est telle qu'elle transforme l'eau juste derrière le poing en vapeur, à température ambiante. Le choc de l'effondrement de cette bulle, en tant que « second coup » qui suit l'impact du marteau, achève d'endommager la coquille dure.
Un poing trop rapide transforme l'eau elle-même en arme.
La crevette-mante frappe deux fois en un seul coup.
Le mécanisme qui produit de la vitesse grâce à un ressort rejoint le saut de la puce, et le mécanisme qui crée des bulles sonores rejoint le bruit des doigts qu'on fait craquer. Pour la résistance de la coquille du côté de la victime, voyez pourquoi l'intérieur d'une coquille résiste si bien aux fissures.
- Dans votre bain, dressez la paume de la main et comparez la résistance ressentie en la déplaçant lentement, puis environ deux fois plus vite. En accélérant, la force de résistance devrait sembler bien plus que doublée.
- Aspirez un peu d'eau tiède dans une seringue sans aiguille (comme celles vendues en pharmacie pour administrer des médicaments). Bouchez bien l'embout avec le doigt, puis tirez fort sur le piston. Sans avoir chauffé l'eau, des bulles peuvent en sortir.
- Si vous croisez une crevette-mante paon dans un aquarium, observez bien la forme du marteau replié devant son thorax. Au moment du coup, elle va trop vite pour que l'œil puisse la suivre.
Les bulles qui sortent de la seringue contiennent aussi de l'air dissous dans l'eau tiède. Mais cela permet déjà de ressentir que « la seule baisse de pression suffit à créer des bulles ». À la vitesse qu'une main peut atteindre, la pression ne chute jamais assez pour déchirer l'eau.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège à l'université, chaque niveau est indiqué clairement
- CollègeNiveau collège (sciences)
- LycéeNiveau lycée, cours de physique
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encart des manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (mécanique des fluides, biomécanique)
- RechercheNon encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Cavitation : phénomène par lequel, quand la pression d'un liquide chute trop, des bulles de vapeur se forment dans le liquide sans qu'il soit besoin d'augmenter la température.
- Péréiopode ravisseur (patte de capture) : grande patte à l'avant du thorax, utilisée par les crevettes-mantes pour attraper leurs proies. La crevette-mante paon l'utilise comme marteau.
- Point d'ébullition et pression : la température à laquelle un liquide bout diminue quand la pression environnante baisse. C'est le même mécanisme qui fait que l'eau bout à une température plus basse en montagne.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à quelle vitesse l'eau se déchire-t-elle ?
Dans un écoulement, la pression chute d'autant que la vitesse augmente. En supposant que l'eau juste derrière le marteau est entraînée à une vitesse proche de celle du marteau, on estime la vitesse à partir de laquelle des bulles commencent à se former. Les unités sont le pascal pour la pression et le mètre par seconde pour la vitesse.
| En notation symbolique | p = p0 − ½ × ρ × v² , la condition de formation de bulles est p < pv |
| En mots | Pression de l'eau à l'arrière = pression ambiante − ½ × densité de l'eau × (vitesse)². Si cette valeur descend sous la « pression de vaporisation de l'eau », des bulles se forment |
| D'où vient cette formule | Le théorème de Bernoulli. Le long d'un écoulement, la somme de « l'énergie sous forme de pression » et de « l'énergie cinétique » se conserve : plus un endroit est rapide, plus la pression y est basse |
| p | Pression de l'eau juste derrière le marteau (pascal) |
| p0 | Pression ambiante de l'eau. En mer peu profonde, environ 1 atmosphère (pascal) |
| pv | Pression à laquelle l'eau se vaporise à cette température (pascal) |
| ρ | Densité de l'eau de mer (kilogramme par mètre cube) |
| v | Vitesse du marteau (mètre par seconde) |
| Pression ambiante p0 (1 atmosphère) | 101 300 pascals |
| Pression de vaporisation de l'eau à 25 °C, pv | environ 3 200 pascals |
| Densité de l'eau de mer ρ | environ 1 025 kilogrammes par mètre cube |
| Vitesse maximale du marteau de la crevette-mante paon | environ 23 mètres par seconde (valeur rapportée) |
| Chute de pression nécessaire pour former des bulles | 101 300 − 3 200 = 98 100 |
| Calcul préalable de ½ × ρ | 1 025 ÷ 2 = 512,5 |
| Valeur de v² nécessaire pour atteindre ce seuil | 98 100 ÷ 512,5 ≈ 191,4 |
| Racine carrée : vitesse à partir de laquelle les bulles commencent à se former | racine carrée de 191,4, soit environ 13,8 mètres par seconde |
| Carré de la vitesse maximale de la crevette-mante | 23 × 23 = 529 |
| Chute de pression correspondante | 512,5 × 529 ≈ 271 113 |
| Combien de fois 1 atmosphère | 271 113 ÷ 101 300 ≈ 2,68 |
À 23 mètres par seconde, la pression à l'arrière devrait, selon ce calcul, chuter de 2,7 fois la pression atmosphérique. Or il n'y a au départ qu'une seule atmosphère disponible. Ce déficit ne peut pas être comblé : l'eau se déchire et devient de la vapeur. On dispose ainsi d'une marge d'environ 1,7 fois la vitesse à laquelle les bulles commencent à apparaître (environ 14 mètres par seconde). L'écoulement réel étant plus complexe, ceci reste une estimation indicative.
LycéeLycée+Énergie du ressort et résistance de l'eau
LycéeUn ressort comprimé accumule une énergie élastique (½ × k × x²). Le muscle accumule cette énergie lentement, sur une longue durée, puis la convertit en énergie cinétique (½ × m × v²) en un instant, quand le verrou se libère. Plus le rapport entre le temps d'accumulation et le temps de libération est grand, plus la puissance disponible (énergie par seconde) est élevée.
Lycée+Dans un écoulement rapide, la résistance subie par un objet dans l'eau est à peu près proportionnelle à ½ × ρ × v². Ce n'est pas un hasard si l'on retrouve le même ½ × ρ × v² que dans la formule ci-dessus. Cette quantité est appelée pression dynamique : elle exprime l'intensité d'un écoulement en unités de pression.
UniversitéComment la bulle s'effondre, et la structure du marteau
La façon dont une bulle grossit puis s'effondre est décrite par l'équation de Rayleigh-Plesset. Au tout dernier instant de l'effondrement, la paroi de la bulle se déplace extrêmement vite et le gaz qu'elle contient est comprimé brutalement. Dans le cas de la crevette pistolet, on estime que l'intérieur de la bulle atteint alors plusieurs milliers de degrés ; le phénomène qui produit de la lumière s'appelle la sonoluminescence. La partie « ressort » serait un exosquelette en forme de selle (paraboloïde hyperbolique), qui accumulerait l'énergie en se déformant. À l'intérieur du marteau, l'empilement de couches de fibres tournant en spirale est appelé structure de Bouligand, étudiée comme modèle de matériau capable de freiner la progression des fissures.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Cavitation (Wikipédia, en japonais) ／ Théorème de Bernoulli (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Dans quelle mesure la bulle est-elle utile ? On pense que l'efficacité du second coup, celui de la bulle, pour briser la coquille varie selon la proie et la façon dont le coup est porté, mais la proportion exacte reste incertaine.
- Les bulles de la crevette-mante émettent-elles aussi de la lumière ? Chez la crevette pistolet, on a observé une lumière émise à l'effondrement de la bulle. On ignore encore précisément quelle quantité de lumière ou de chaleur produisent les bulles de la crevette-mante : les recherches sont en cours.
- Pourquoi le marteau résiste-t-il à des milliers de coups ? Le marteau se renouvelle à chaque mue, mais il devrait résister, entre deux mues, à des milliers de coups. Jusqu'où une fissure peut-elle s'étendre avant qu'il ne devienne inutilisable ? Cette question intéresse aussi les chercheurs en science des matériaux.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète lui aussi « ce que l'on sait actuellement ». Les valeurs de vitesse et de force sont des résultats rapportés, mesurés sur un nombre limité d'individus à l'aide de caméras rapides et de capteurs de force.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : pression, changements d'état et point d'ébullition | Une baisse de pression crée des bulles même à température ambiante |
| Lycée | Physique : énergie élastique, énergie cinétique | Accumuler dans un ressort puis libérer d'un coup |
| Lycée+ | Physique : pression des fluides, pression dynamique | La pression chute dans les zones rapides (théorème de Bernoulli) |
| Université | Mécanique des fluides, biomécanique, science des matériaux | Effondrement des bulles, forme du ressort, structure en couches du marteau |
| Recherche | Mouvement animal et recherche sur les matériaux | Rôle des bulles, lumière et chaleur, résistance aux dommages |
| ― | Lien avec la vie courante | L'érosion des hélices de bateaux et des pompes par les bulles |
- Patek, S. N., Korff, W. L., Caldwell, R. L. (2004) Deadly strike mechanism of a mantis shrimp. Nature 428, 819–820.
- Patek, S. N., Caldwell, R. L. (2005) Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: strike forces of the peacock mantis shrimp. Journal of Experimental Biology 208, 3655–3664.
- Versluis, M., Schmitz, B., von der Heydt, A., Lohse, D. (2000) How snapping shrimp snap: through cavitating bubbles. Science 289, 2114–2117.
- Weaver, J. C. et al. (2012) The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hammer. Science 336, 1275–1280.
- Lohse, D., Schmitz, B., Versluis, M. (2001) Snapping shrimp make flashing bubbles. Nature 413, 477–478.
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faire comprendre le mécanisme. Les vitesses et forces proviennent de valeurs rapportées par la recherche et peuvent varier selon l'individu et les conditions. Les crevettes-mantes peuvent pincer ou frapper : ne les touchez pas à main nue.