À quoi servent les moustaches du phoque ?
– Elles lisent les tourbillons laissés par un poisson 30 secondes plus tôt
Même les yeux bandés, un phoque sait suivre le chemin d'un poisson. Son indice : une file de petits tourbillons que le poisson laisse dans l'eau en nageant. Les moustaches sont l'outil qui lui permet de lire ces « traces de pas » invisibles.
Avez-vous déjà observé un phoque d'aquarium de face ? De chaque côté de son nez, des dizaines de moustaches épaisses et raides pointent vers l'avant.
La mer où vivent les phoques n'est pas toujours limpide. Dans l'eau trouble d'un estuaire, ou dans la nuit des profondeurs où la lumière n'arrive pas, ils chassent pourtant le poisson.
Dans une eau où les yeux ne servent presque à rien, comment trouvent-ils leurs proies ? La réponse se cache dans ces moustaches.
Deux raisons seulement expliquent ce pistage
Quand un poisson bat de la queue de gauche à droite, de petits tourbillons se forment tour à tour dans l'eau derrière lui. Cette file ne disparaît pas tout de suite : elle persiste un moment.
La surface des moustaches de phoque est ondulée. Grâce à cette forme, elles tremblent peu quand l'animal nage et ne perçoivent que les remous les plus faibles.
Autrement dit, le poisson laisse des « traces de pas » dans l'eau, et le phoque les lit avec une antenne peu bruyante. Voyons cela étape par étape.
Le sillage d'un poisson garde des « traces de pas » en tourbillons
Un poisson avance en battant de la queue d'un côté puis de l'autre, ce qui repousse l'eau vers l'arrière. Quand la queue part vers la droite, elle crée un tourbillon qui tourne dans le sens horaire. Vers la gauche, un tourbillon en sens inverse. Derrière le poisson s'alignent ainsi, en zigzag, des tourbillons de sens alternés.
Regardez la figure 1. Derrière le poisson qui nage vers la droite, la file de tourbillons s'étire. Plus on va vers la gauche, plus ils sont anciens : ils s'affaiblissent peu à peu, mais ne s'éteignent pas aussitôt.
Des expériences ont confirmé que le phoque lit bel et bien ces « traces de pas ». En 2001, une équipe de recherche allemande a bandé les yeux de phoques communs et leur a mis des protège-oreilles. Elle a ensuite fait circuler un petit sous-marin dans l'eau pour voir s'ils pouvaient suivre son trajet.
Les phoques ont suivi avec précision la route du sous-marin. Mais quand on recouvrait leurs moustaches d'un masque en filet, ils n'y arrivaient plus. L'indice n'était donc ni la vue ni l'ouïe, mais bien les moustaches. Des études ultérieures rapportent même qu'ils peuvent déduire la direction prise par une cible à partir d'une trace vieille de plus de 30 secondes.
Pour lire les traces, les moustaches doivent rester « calmes »
Il y a pourtant un problème. Quand on déplace une tige dans l'eau, des tourbillons se forment aussi derrière elle. Chaque fois qu'un tourbillon se détache, tantôt à droite, tantôt à gauche, la tige est poussée de côté et se met à trembler. C'est le même mécanisme qui fait siffler les fils électriques les jours de grand vent.
Une moustache est, dans l'eau, une fine tige. Si elle tremblait à chaque coup de nage, le faible remous laissé par le poisson serait noyé dans ses propres vibrations. Ce serait comme essayer d'entendre un murmure lointain avec un tambour qui bat à son oreille.
Les moustaches du phoque commun résolvent ce problème par leur forme. Leur section est une ellipse aplatie, et de la base à la pointe, elles s'épaississent et s'amincissent tour à tour, en ondulant. Avec cette forme, les tourbillons qui se forment derrière ne sont pas synchronisés et les forces qui poussent la moustache s'annulent. Des expériences rapportent que les vibrations sont bien plus faibles qu'avec une tige ronde.
Dans la figure 2, faites varier la vitesse de vibration de la moustache elle-même. Les remous de la trace d'un poisson sont lents : quelques fois par seconde. Une moustache ronde, elle, vibrerait plusieurs centaines de fois par seconde.
Plus on nage vite, plus une moustache ronde vibre fort. En réduisant ces vibrations à la source, la moustache ondulée permettrait de distinguer les remous du poisson même en pleine nage.
On estime que plus de 1000 nerfs aboutissent à la base d'une seule moustache de phoque. C'est un nombre sans commune mesure avec celui des moustaches de souris ou de chat. On dit même que la plupart des nerfs du visage servent aux moustaches.
Chez l'otarie, autre mammifère marin, les moustaches ont une surface lisse, sans ondulations. Elle sent aussi les remous de l'eau, mais on rapporte que le phoque commun est meilleur pour suivre une longue trace en nageant. La différence de forme est peut-être liée à une différence d'usage.
En résumé
En nageant, un poisson laisse une file de tourbillons, une trace invisible. Le phoque la lit grâce à des moustaches dont la forme ondulée limite leurs propres vibrations. C'est ce qui lui permet de poursuivre ses proies dans une eau trouble ou dans la nuit.
Le phoque ne cherche pas le poisson avec les yeux.
Il lit avec ses moustaches les « traces de pas » restées dans l'eau.
Le mécanisme par lequel une moustache perçoit les mouvements fins est présenté en détail dans Que sentent les moustaches du chat ? Pour d'autres animaux qui chassent sans les yeux ni le nez, lisez aussi Comment le requin trouve-t-il une proie cachée dans le sable ?
- Plongez doucement la paume de la main, doigts écartés, dans la baignoire. Ne bougez plus et attendez que l'eau soit immobile.
- Avec l'autre main, passez vivement à environ 10 centimètres de la première. Quelques secondes plus tard, sentez le remous qui arrive sur la main immergée.
- Prenez ensuite une baguette en bois et déplacez-la vite sur le côté dans l'eau. Vous sentirez dans la main de petites vibrations.
Ces vibrations de l'étape 3 sont les secousses que subit la tige chaque fois qu'un tourbillon se détache. La moustache du phoque a une forme qui les réduit.
Pour aller plus loin – termes, formules, lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège à l'université
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique ou de biologie du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés de l'université (mécanique des fluides, physiologie sensorielle), non vus au lycée
- RechercheSujets encore à l'étude, pas enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Vibrisse : poil sensoriel, comme une moustache, dont la base est reliée à de nombreux nerfs. Différent d'un poil ordinaire.
- Tourbillons de Kármán : file de tourbillons de sens alternés qui se forme derrière une tige placée dans un courant.
- Vibrations induites par les tourbillons : tremblement d'une tige, poussée de côté chaque fois qu'un tourbillon se détache.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : combien de fois par seconde vibre une moustache ronde ?
Le nombre de tourbillons qui se détachent derrière une tige dépend de la vitesse du courant et de l'épaisseur de la tige. Calculons la fréquence de vibration d'une moustache ronde et comparons-la aux remous de la trace d'un poisson.
| En symboles | f ＝ St × U ÷ d |
| En mots | Nombre de tourbillons détachés par seconde ＝ nombre de Strouhal × vitesse du courant ÷ épaisseur de la tige |
| D'où vient-elle ? | Derrière une tige ronde, l'écart entre deux tourbillons reste à peu près constant, environ 5 fois l'épaisseur de la tige, comme le montrent les expériences. À écart fixé, plus le courant est rapide, plus il se détache de tourbillons par seconde. Le coefficient de proportionnalité est le nombre de Strouhal, d'environ 0,2 pour une tige ronde. |
| f | Nombre de tourbillons détachés par seconde (nombre de vibrations de la tige). Unité : fois/s |
| St | Nombre de Strouhal, sans unité. Environ 0,2 pour une tige ronde, 0,2 à 0,4 pour la queue d'un poisson nageur |
| U | Vitesse du courant (vitesse de nage). Unité : mètre par seconde |
| d | Épaisseur de la tige ; pour un poisson, amplitude du battement de la queue. Unité : mètre |
| Vitesse de nage lente d'un phoque (ordre de grandeur) | 1 m/s |
| Épaisseur d'une moustache (ordre de grandeur) | environ 1 mm ＝ 0,001 m |
| Nombre de Strouhal d'une tige ronde | environ 0,2 |
| Vitesse du poisson et amplitude de sa queue (petit poisson, ordre de grandeur) | 0,5 m/s · 0,05 m |
| Nombre de Strouhal de la queue d'un poisson (ordre de grandeur) | environ 0,3 |
| Moustache : Strouhal × vitesse | 0,2 × 1 ＝ 0,2 |
| Moustache : divisé par l'épaisseur (vibrations par seconde) | 0,2 ÷ 0,001 ＝ 200 |
| Poisson : Strouhal × vitesse | 0,3 × 0,5 ＝ 0,15 |
| Poisson : divisé par l'amplitude (remous par seconde) | 0,15 ÷ 0,05 ＝ 3 |
| Écart de vitesse (combien de fois) | 200 ÷ 3 ≒ 67 |
| Longueur de la trace laissée en 30 s par le poisson (m) | 0,5 × 30 ＝ 15 |
Une moustache ronde vibrerait environ 200 fois par seconde. Les remous de la trace du poisson sont d'environ 3 par seconde : ses propres vibrations seraient donc près de 70 fois plus rapides. Et la trace d'un poisson, sur 30 secondes, s'étend sur une quinzaine de mètres. On pense que la moustache ondulée réduit ce bruit et permet de suivre cette longue trace.
LycéeLycée+Pourquoi des tourbillons alternés font-ils vibrer la tige de côté ?
LycéeQuand un tourbillon se détache d'un côté de la tige, l'écoulement change de ce côté et une force latérale s'exerce sur la tige. Au tourbillon suivant, de l'autre côté, la force change de sens. Ce va-et-vient fait trembler la tige de gauche à droite. En termes d'action et de réaction, c'est aussi le contrecoup de la tige qui repousse l'eau sur le côté.
Lycée+Quand cette fréquence approche la fréquence propre de la tige, il y a résonance et les vibrations s'amplifient. C'est un phénomène important pour la conception des ponts, des cheminées et des lignes électriques. On pense que, chez le phoque commun, la forme ondulée décale le long de la moustache les points où les tourbillons se détachent, si bien que les forces ne s'additionnent pas.
Univ.Allée de Kármán et mécanique des fluides de la moustache ondulée
La file de tourbillons alternés derrière une tige s'appelle en mécanique des fluides « allée de tourbillons de Kármán ». Le nombre de Strouhal, qui exprime la fréquence de détachement sans dimension, reste à peu près constant, autour de 0,2, pour un nombre de Reynolds d'environ 1000 à 100 000. Pour une tige de 1 mm à 1 m/s dans l'eau, le nombre de Reynolds est d'environ 1000, soit le seuil de cette plage. La moustache du phoque commun a une section elliptique et une épaisseur qui varie périodiquement le long de sa longueur (forme « ondulée »). Des expériences d'écoulement sur maquettes et des calculs numériques ont montré que cette forme affaiblit fortement les vibrations induites par les tourbillons. La queue d'un poisson crée au contraire une « allée de Kármán inverse », de sens opposé, qui fournit la poussée vers l'avant.
📖 Démonstration des formules et pour aller plus loin : Tourbillons de Kármán (Wikipédia en japonais) ／ Nombre de Strouhal (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Jusqu'où les phoques sauvages comptent-ils sur leurs moustaches ? Les expériences ont surtout eu lieu en captivité ; le rôle réel des moustaches dans la chasse en mer trouble est encore à l'étude.
- Peut-on déduire de la trace la taille ou l'espèce du poisson ? On rapporte que les phoques distinguent la direction et des différences de forme, mais le niveau de détail qu'ils lisent reste inconnu.
- Peut-on utiliser cette forme ondulée dans l'industrie ? Des applications sont étudiées pour des capteurs d'écoulement sous-marins et des mâts qui vibrent peu.
Le contenu de cet article est donc « une explication à l'état actuel des connaissances ». Les valeurs concernant les moustaches et la durée de persistance des traces varient selon les études et les conditions.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « stimulus et réaction » | Les nerfs à la base de la moustache reçoivent le remous de l'eau comme un stimulus |
| Lycée | Physique : « ondes et vibrations » ; biologie : « récepteurs » | Détachement alternés des tourbillons, vibration de la tige, nombre par seconde |
| Lycée+ | Physique : « résonance » | Quand la vibration approche la fréquence propre de la tige, elle s'amplifie |
| Univ. | Mécanique des fluides, physiologie sensorielle | Allée de Kármán, nombre de Strouhal, suppression des vibrations induites |
| Recherche | Biomécanique des fluides, capteurs bio-inspirés | Rôle à l'état sauvage, finesse des informations lues dans la trace |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Le sifflement des fils électriques les jours de vent, les vibrations d'une baguette dans l'eau |
- Dehnhardt, G., Mauck, B., Hanke, W., Bleckmann, H. (2001) Hydrodynamic trail-following in harbor seals (Phoca vitulina). Science 293, 102–104.
- Hanke, W., Witte, M., Miersch, L. et al. (2010) Harbor seal vibrissa morphology suppresses vortex-induced vibrations. Journal of Experimental Biology 213
- Wieskotten, S., Dehnhardt, G., Mauck, B. et al. (2010) Hydrodynamic determination of the moving direction of an artificial fish in harbour seals. Journal of Experimental Biology 213.
- カルマン渦 (tourbillons de Kármán), Wikipédia en japonais
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Les chiffres sur les capacités des animaux proviennent d'expériences menées en captivité et varient selon les individus et les conditions.