Comment un moustique survit-il à une goutte de pluie plus lourde que lui ?
― Trop léger, c'est la goutte qui cède
Une seule goutte de pluie peut peser plusieurs fois le poids d'un moustique. Pour un humain, ce serait comme si des objets plus lourds que lui tombaient sans cesse du ciel. Pourtant, le moustique ne chute pas et continue de voler. Ce qui le protège, ce n'est pas un corps robuste, mais une légèreté étonnante.
Un soir d'été, la pluie se met soudain à tomber. Vous vous réfugiez sous un auvent, et devant vous, un moustique volette nonchalamment.
De grosses gouttes s'abattent bruyamment. Si l'une d'elles touchait le moustique, il ne devrait pas y survivre.
Pourtant, une fois la pluie passée, le moustique revient tranquillement vous tourner autour. Comment a-t-il survécu à cette averse ?
Deux raisons seulement expliquent tout
Le moustique est si léger que la goutte continue de tomber presque à la même vitesse, en l'emportant avec elle. Comme l'élan de la goutte ne diminue guère, la force reçue par le moustique reste faible.
Le corps et les ailes du moustique sont couverts de poils fins qui repoussent l'eau. Même entraîné un instant par la goutte, il s'en détache dès qu'il redescend un peu, et repart aussitôt voler.
L'idée qu'« un objet lourd qui percute fait mal » ne vaut que si la cible ne bouge pas. Pour un corps léger flottant dans les airs, tout s'inverse.
Tout dépend de si la cible peut « suivre le mouvement »
La force d'un choc dépend de la brutalité du changement de vitesse. La même goutte de pluie, en touchant le sol, s'arrête net. Le changement de vitesse est énorme, donc la force est forte.
Mais quand la goutte touche un moustique en vol, celui-ci est entraîné vers le bas avec elle. Comme le moustique est bien plus léger que la goutte, celle-ci ne ralentit que légèrement et continue de chuter. Comparez la gauche et la droite de la figure 1.
Une équipe de recherche américaine a filmé au ralenti des moustiques percutés par des gouttes d'eau. Le moustique est emporté sur une distance équivalente à une dizaine de fois sa longueur avant de se détacher et de s'envoler. Son corps subirait alors une accélération de 100 à 300 fois la gravité terrestre. Une valeur insupportable pour un humain, mais que le corps léger du moustique encaisse sans dommage.
Et pour d'autres animaux ?
Cette stratégie de « se protéger par la légèreté » fonctionne très différemment selon la taille du corps.
Chez l'humain. Une goutte de pluie ne représente qu'un millionième du poids d'une personne, environ. Elle s'arrête complètement sur la peau, mais son élan est trop faible pour faire mal ou même chatouiller. Contrairement au moustique, l'humain est « trop lourd pour la sentir ».
Chez le moustique proche du sol. En réalité, le vrai danger pour le moustique survient quand il est touché tout près du sol. Si la goutte le percute alors qu'il vole au ras du sol ou d'une flaque, il se retrouve dans la même situation que le cas de gauche de la figure 1 : une cible qui ne peut pas bouger. Le moustique se trouve alors pris en étau entre la goutte et le sol.
Chez la chauve-souris. Pour une chauve-souris, des milliers de fois plus lourde qu'un moustique, le choc d'une goutte ne pose aucun problème. Ce qui la gêne, c'est que son pelage mouillé la refroidit et l'alourdit. Selon une étude expérimentale, voler sous la pluie doublerait environ l'énergie dépensée pour le vol.
Sous une pluie forte, un moustique peut bel et bien recevoir un « impact direct » de goutte. Lors d'expériences, les moustiques touchés ont été emportés sur quelques centimètres à une dizaine de centimètres, avant de se redresser et de repartir voler. Une goutte minuscule pour nous représente, pour le moustique, un bloc d'eau plus grand que lui, qui tombe sans relâche.
En résumé
La force d'un choc ne dépend pas seulement du poids de l'objet qui percute. Que la cible puisse bouger avec lui ou non change la façon dont la vitesse évolue, et donc l'intensité de la force. Le moustique étant bien plus léger que la goutte, il ne la ralentit presque pas. La force reçue reste donc faible, et grâce à son corps qui repousse l'eau, il se détache vite et repart voler.
Si le moustique résiste à la pluie, ce n'est pas parce qu'il est fort.
C'est parce qu'il est trop léger pour arrêter la goutte.
Pour comprendre pourquoi la goutte elle-même ne fait pas mal, voir Une goutte de pluie tombe de 1000 mètres : pourquoi ça ne fait pas mal ?. Sur la façon dont la taille du corps change la perception de l'eau, voir aussi Pourquoi l'eau est-elle comme du « miel » pour une daphnie ?. Le mécanisme par lequel le moustique repère l'humain est traité dans Pourquoi certaines personnes sont-elles plus piquées par les moustiques que d'autres ?.
- Suspendez une feuille de mouchoir en papier au plafond ou à un bâton avec un fil. Posez une seconde feuille à plat sur une table, en maintenant un bord avec la main.
- À l'aide d'une paille, laissez tomber une goutte d'eau à la fois, depuis la même hauteur, sur chacune des deux feuilles.
- La feuille suspendue est poussée par la goutte, oscille, et dissipe ainsi l'impact par son mouvement. La feuille maintenue, elle, ne peut pas bouger. Observez la différence dans la façon dont la goutte frappe et rebondit.
Le mouchoir suspendu n'est pas aussi léger qu'un moustique, mais l'expérience permet de ressentir l'idée : plus la cible peut bouger, plus le choc s'atténue. Faites cette expérience dans un endroit où l'eau renversée ne pose pas de problème.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de physique du lycée
- Lycée＋Contenu d'approfondissement ou d'encadré des manuels de lycée
- Univ.Non enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (mécanique des fluides, biophysique)
- RechercheNon encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Inertie : propriété d'un objet à conserver son mouvement. Plus un objet est lourd, plus il résiste à un changement de mouvement.
- Quantité de mouvement : produit de la masse et de la vitesse. La somme totale de deux objets reste la même avant et après un choc.
- Hydrophobie : propriété d'une surface à repousser l'eau. Les poils fins du corps et des ailes du moustique en sont la cause.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien la goutte ralentit-elle en touchant le moustique ?
Considérons le cas le plus simple : la goutte et le moustique se collent et se déplacent ensemble. Le sens des symboles et leurs unités figurent dans le tableau ci-dessous.
| Symbole | Signification et unité |
| M | Masse de la goutte (mg) |
| m | Masse du moustique (mg) |
| V | Vitesse de la goutte avant le choc (m/s) |
| v | Vitesse commune après le choc (m/s). v = M ÷ (M ＋ m) × V |
| Masse M d'une goutte de 3 mm de diamètre | environ 14 mg |
| Vitesse de chute V de cette goutte | environ 8 m/s |
| Masse m d'un moustique | environ 2 mg |
| Poids d'un humain | 60 kg (60 000 000 mg) |
| Masse totale goutte + moustique | 14 ＋ 2 ＝ 16 mg |
| Part de la goutte dans ce total | 14 ÷ 16 ≒ 0,875 |
| Vitesse v après le choc | 0,875 × 8 ＝ 7 m/s |
| Diminution de vitesse de la goutte (choc avec le moustique) | 8 − 7 ＝ 1 m/s |
| Rapport avec l'arrêt sur le sol | 8 ÷ 1 ＝ 8 fois |
| Poids humain / poids d'une goutte | 60 000 000 ÷ 14 ≒ 4 300 000 fois |
Pour une même durée de choc, la force reçue par la goutte est proportionnelle à la variation de vitesse. En touchant un moustique, elle ne subit qu'environ un huitième de ce qu'elle subirait en touchant le sol. Et comme cette faible force est aussi tout ce qui pousse le moustique, son corps léger l'encaisse sans problème. Un humain étant environ 4,3 millions de fois plus lourd qu'une goutte, celle-ci s'arrête sur la peau sans produire une force suffisante pour être seulement perçue.
LycéeLycée＋La force, c'est « la vitesse de variation de la quantité de mouvement »
LycéeL'impulsion reçue par un objet est égale à la variation de sa quantité de mouvement. La quantité de mouvement totale de la goutte et du moustique étant conservée, le moustique, léger, n'en reçoit qu'une infime part. L'impulsion est donc faible, et le choc aussi.
Lycée＋Un choc où les deux objets se collent et bougent ensemble s'appelle un « choc parfaitement inélastique ». En réalité, la goutte se déforme et le moustique s'en détache en cours de route, ce qui complique un peu les choses. Mais la conclusion reste la même : plus la cible touchée est légère, moins la goutte ralentit.
Univ.Déformation de la gouttelette et rôle de la tension superficielle
Une goutte de pluie n'est pas une bille rigide : au contact, elle s'aplatit et s'étale. Un nombre comparant l'élan de la gouttelette à la force de la tension superficielle (le nombre de Weber) détermine si elle éclate en fines gouttes ou reste groupée. Chez le moustique, on pense que les poils hydrophobes repoussent l'eau, ce qui lui permet de glisser latéralement au lieu de rester prisonnier de la goutte. La disposition fine des poils sur la cuticule des insectes est un sujet très étudié en recherche sur l'hydrophobie.
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Fréquence des impacts en milieu naturel. Les expériences ont surtout été menées en intérieur avec des gouttes artificielles ; on sait mal combien de fois un moustique est réellement touché sous une pluie naturelle, et quelle proportion survit.
- Comment il se redresse. La façon dont le moustique utilise ses ailes et ses pattes pour retrouver son équilibre après une forte accélération reste en cours d'étude détaillée.
- Différences avec d'autres petits insectes volants. On dispose encore de peu d'études comparatives montrant jusqu'où cette stratégie fonctionne chez des insectes de poids ou de rigidité différents, comme les mouches, papillons de nuit ou coléoptères.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend à ce jour ». Les calculs ci-dessus sont des approximations simplifiées destinées à saisir le mécanisme.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Mouvement et énergie (inertie) | Un objet lourd résiste davantage au changement de mouvement |
| Lycée | Physique (quantité de mouvement et impulsion) | Ralentissement de la goutte et vérification par le calcul |
| Lycée＋ | Physique (choc inélastique) | Choc où les objets se collent et bougent ensemble |
| Univ. | Mécanique des fluides・Biophysique | Déformation de la gouttelette et hydrophobie |
| Recherche | Vol des insectes et adaptation à l'environnement | Réalité en milieu naturel, redressement de la posture |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi les moustiques reviennent après la pluie |
- Dickerson, A. K., Shepherd, P. G., & Hu, D. L. (2012). Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. PNAS, 109(25)
- Gunn, R., & Kinzer, G. D. (1949). The terminal velocity of fall for water droplets in stagnant air. Journal of Meteorology, 6, 243–248.
- Voigt, C. C., et al. (2011). Rain increases the energy cost of bat flight. Biology Letters, 7, 793–795.
- Agence météorologique du Japon, « Intensité et types de pluie » (気象庁「雨の強さと降り方」)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères approximatifs destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Les valeurs réelles varient selon l'intensité de la pluie, la taille des gouttes et l'espèce de moustique.