Pourquoi les toiles d'araignée résistent-elles au vent et à la pluie ?
― Pas parce qu'elles sont solides, mais parce qu'elles s'étirent énormément
Un fil bien plus fin qu'un cheveu, tendu avec plein de vide entre les mailles. Et pourtant, la toile d'araignée survit au vent qui la secoue, aux gouttes de pluie qui s'y accrochent, et se retrouve intacte au matin. La raison n'est pas qu'elle a été « durcie ». C'est même l'inverse : elle s'étire beaucoup, et c'est ainsi qu'elle absorbe la force.
Un matin après la pluie, une toile d'araignée est tendue dans les buissons du jardin, ornée de gouttelettes d'eau. Pourtant, la veille au soir, le vent soufflait fort et la pluie tombait dru.
Si vous appuyez doucement du doigt, la toile s'enfonce en souplesse. Elle n'a rien de rigide. Et pourtant, elle ne se déchire pas : elle revient à sa forme.
Pas rigide, mais increvable. Cet « enfoncement », c'est justement la clé de l'énigme.
Il n'y a que deux raisons principales
On estime que le fil de soie d'araignée peut s'allonger de 30 à 40 % de sa longueur initiale avant de rompre. En absorbant le choc sur une longue distance, la force réellement subie devient plus faible.
Le vent passe surtout à travers les mailles sans obstacle. Et si un fil se rompt, la force se répartit vers les fils voisins : les dégâts s'arrêtent là.
Ces deux raisons découlent de la même idée : ne pas chercher la rigidité. Voyons cela dans l'ordre.
Plus la distance d'arrêt est longue, plus la force diminue
Quand un insecte en plein vol percute la toile, il possède de l'élan. La toile doit l'arrêter. Ce qui compte ici, ce n'est pas seulement la force appliquée, mais la distance sur laquelle cette force s'exerce.
Pour stopper le même élan, arrêter brutalement sur une courte distance génère une force énorme. Arrêter progressivement sur une longue distance demande beaucoup moins de force. C'est le même principe que lorsqu'on saute de haut : on plie les genoux à l'atterrissage. Si on gardait les jambes tendues, le choc sur les pieds serait violent.
Un fil de fer ou un câble d'acier fin, lui, se romprait après seulement quelques pourcents d'allongement. Autrement dit, il n'a presque aucune marge d'étirement. L'insecte qui fonce dedans serait arrêté sur une distance infime, et le fil subirait alors une force énorme. Le fil d'araignée, lui, s'étire des dizaines de fois plus. Regardez la partie gauche de la figure 1 : en haut, un fil qui ne s'étire pas ; en bas, le fil d'araignée. Plus l'enfoncement est profond, plus la force subie par le fil est amortie.
De plus, le fil d'araignée étiré transforme une partie de la force en chaleur, qu'il dissipe. Comme une éponge compressée, il revient lentement à sa forme. C'est pour cela que l'insecte, au lieu d'être rejeté en arrière, reste piégé dans la toile. Ici, le mécanisme qui capture la proie et celui qui empêche la toile de se rompre ne font qu'un.
Le vide dans la toile devient une force
Si la toile était une surface pleine comme une plaque, le vent la frapperait de plein fouet. La force subie serait proportionnelle à la surface exposée au vent. Or la toile d'araignée est presque entièrement constituée de vide. La majeure partie du vent passe sans obstacle, et seule la portion qui touche réellement un fil génère une force.
Même ainsi, les jours de grand vent, la toile ondule et se gonfle largement. C'est encore une façon d'absorber le choc. En laissant la forme bouger librement, la force ne se concentre pas en un seul point. C'est comme un linge tendu qui claque violemment au vent et se déchire facilement, alors qu'un linge suspendu de façon lâche résiste bien mieux.
Un autre point important concerne ce qui se passe après la rupture d'un seul fil. Une plaque unique, dès qu'une fissure apparaît, se déchire d'un coup à partir de cette fissure. La toile, elle, fonctionne autrement. Quand un fil se rompt, la charge qu'il supportait se répartit sur plusieurs fils voisins. La déchirure ne se propage pas, elle s'arrête là. C'est aussi grâce à cela que l'araignée peut, chaque jour, ne réparer que les parties abîmées.
C'est la même chose pour la pluie. Une goutte qui heurte un fil tire ce dernier vers le bas. Mais le fil s'étire pour absorber cette traction, et l'eau finit soit par tomber en goutte, soit par rester posée sur le fil. Si la toile du matin ressemble à une parure de gouttelettes, c'est bien la preuve que le fil supporte l'eau sans jamais se rompre.
Le cadre extérieur et les fils radiaux sont faits d'un fil solide, peu extensible. La partie en spirale qui capture les proies est faite d'un fil très extensible et collant. La charpente est ferme, la partie qui absorbe le choc est souple. On sait que l'araignée fabrique des fils différents selon leur rôle.
On dit souvent que le fil d'araignée est plus solide que l'acier, mais ce n'est pas une comparaison à diamètre égal. C'est une comparaison à poids égal, en termes de résistance et de quantité d'énergie qu'il peut absorber avant de rompre. Pour sa finesse, il peut absorber une quantité impressionnante d'élan. C'est là que réside son caractère exceptionnel.
En résumé
Si la toile d'araignée ne se rompt pas, ce n'est pas parce qu'elle est rigide. Un fil très extensible absorbe la force sur une longue distance, la toile pleine de vide laisse passer le vent, et les fils voisins prennent le relais quand un fil casse. Plutôt que de résister obstinément, elle change de forme pour absorber le choc. Voilà comment ce fil si fin traverse une nuit entière.
La solidité, ce n'est pas rester immuable.
C'est changer énormément, sans jamais se rompre.
Cette idée d'absorber une force sur une longue distance se retrouve dans le fonctionnement de la ceinture de sécurité et dans la raison pour laquelle les chats survivent à des chutes de haut. L'histoire des fils fins entrelacés qui se soutiennent mutuellement se retrouve dans pourquoi le papier mouillé se déchire plus facilement, et les prouesses des dispositifs créés par le vivant se prolongent dans le mécanisme qui permet aux geckos de coller aux murs.
- Si vous trouvez une toile d'araignée, appuyez doucement sur la partie en spirale avec l'extrémité d'une tige d'herbe fine. Observez jusqu'où le fil s'étire avant de revenir. Faites l'essai plutôt sur le bord de la toile.
- Comparez, sur la même toile, la résistance du cadre extérieur et celle des fils en spirale en appuyant légèrement sur chacun. Vous constaterez que le cadre est plus tendu, tandis que la spirale s'étire davantage.
- Un jour de grand vent, observez la toile à distance. Vous verrez l'ensemble se gonfler et revenir, encaissant le choc sans se déchirer.
※ Une araignée habite la toile. Ne la touchez pas directement avec les mains ; observez-la avec un objet interposé, sans jamais l'abîmer. Une fois l'observation terminée, éloignez-vous doucement.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique fondamentale » du lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : contenu de matières universitaires spécialisées (résistance des matériaux, science des polymères)
- RechercheNon encore établi comme un fait admis même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Énergie cinétique : la quantité d'élan que possède un objet en mouvement. Elle augmente avec la vitesse et avec le poids.
- Ténacité : propriété indiquant la quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber avant de rompre. C'est différent de la dureté ou de la résistance à la rupture.
- Résistance à la traction : la force qu'un fil ou une tige peut supporter avant de rompre, quand on tire dessus. On la compare en la rapportant au diamètre.
- Araignée tisseuse de toile : espèce d'araignée qui tend une toile et attend sa proie. Certaines tissent des toiles circulaires, d'autres des toiles irrégulières.
CollègeLycéeVérification par le calcul : si la distance d'étirement est divisée par 10, par combien la force est-elle multipliée ?
Considérons le cas d'un petit insecte qui fonce dans la toile. On utilise seulement la relation suivante : « l'énergie d'un objet en mouvement est égale au produit de la force d'arrêt par la distance d'arrêt ». Fixons d'abord le sens des symboles et leurs unités.
| En symboles | F × D = E = ½ × m × v² (donc F = E ÷ D) |
| En mots | Force d'arrêt du fil × distance d'étirement de la toile = énergie cinétique de l'insecte = ½ × poids × vitesse × vitesse |
| D'où vient cette formule | Elle découle de « force × distance = travail » et de la relation entre travail et énergie. On considère que toute l'énergie cinétique de l'insecte sert à étirer la toile jusqu'à l'arrêt |
| Symbole E | Énergie cinétique de l'insecte. Unité : joule |
| Symbole F | Force moyenne exercée par le fil pour arrêter l'insecte. Unité : newton |
| Symbole D | Distance d'étirement de la toile jusqu'à l'arrêt. Unité : mètre |
| Poids de l'insecte | 0,0001 kilogramme (0,1 gramme) |
| Vitesse de l'insecte | 2 mètres par seconde |
| Distance d'étirement de la toile | 0,02 mètre (2 centimètres) |
| Vitesse au carré | 2 × 2 = 4 |
| Multiplier par le poids | 0,0001 × 4 = 0,0004 |
| Diviser par 2 pour l'énergie cinétique | 0,0004 ÷ 2 = 0,0002 |
| Force moyenne subie par le fil d'araignée | 0,0002 ÷ 0,02 = 0,01 |
| Avec un fil s'étirant 10 fois moins | 0,0002 ÷ 0,002 = 0,1 |
| Combien de fois la force a-t-elle augmenté ? | 0,1 ÷ 0,01 = 10 |
③ En termes concrets : pour le même insecte à la même vitesse, si la distance d'étirement est divisée par 10, la force subie par le fil est multipliée par 10. Rendre le matériau du fil 10 fois plus solide, ou le rendre 10 fois plus extensible : l'araignée a choisi la seconde option.
LycéeLycée+« Solide » a plusieurs sens
LycéeEn physique fondamentale, on étudie la relation entre le travail d'une force et l'énergie. Quand la quantité de travail nécessaire pour arrêter un objet est fixée, allonger la distance réduit la force. La structure de cet article n'est qu'une reformulation de ce principe.
Lycée+Les propriétés des matériaux se comparent sur un graphique reliant la force de traction et l'allongement. L'aire sous cette courbe correspond à l'énergie absorbée avant la rupture. Le câble d'acier monte brusquement puis s'arrête vite, tandis que le fil d'araignée s'étend doucement et longtemps. À poids égal, cette aire serait plus grande pour le fil d'araignée.
UniversitéLa résistance à la déchirure propre à la forme en toile
Une membrane d'un seul tenant concentre la force à la pointe d'une entaille, et se déchire d'un coup à partir d'un petit défaut. La structure en toile empêche cette concentration. Même si un fil disparaît, il reste de nombreux autres chemins pour porter la charge. En résistance des matériaux, c'est traité comme l'avantage d'une structure à chemins multiples. De plus, dans une toile circulaire, le cadre extérieur et les fils radiaux sont rigides, tandis que les fils en spirale sont souples : c'est une répartition des rôles. Du point de vue des matériaux, l'énergie absorbable avant rupture s'appelle la « ténacité », représentée par l'aire sous la courbe contrainte-déformation. On rapporte que sous une force importante, la partie souple s'étire en premier et répartit la charge. On peut aussi y voir une conception où l'endroit de la rupture est décidé à l'avance.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Ténacité (Wikipédia, en japonais) ／ Courbe contrainte-déformation (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- La raison du rétrécissement à l'humidité. On sait que le fil d'araignée rétrécit et change de tension au contact de l'eau. On discute encore de savoir si ce phénomène règle automatiquement la tension de la toile, ou s'il n'est qu'un effet secondaire.
- Les propriétés du fil fraîchement produit. Le fil est liquide à l'intérieur du corps de l'araignée et se solidifie au moment où il est émis. Reproduire ce processus de solidification reste un défi majeur pour la fabrication de fils artificiels.
- Ce qui détermine la forme de la toile. La forme de toile propre à chaque espèce dépend à la fois de facteurs innés et des conditions locales (branches, vent). La part respective de ces deux facteurs est encore étudiée espèce par espèce.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend à l'heure actuelle ». La structure générale est bien établie, mais les valeurs précises varient beaucoup selon l'espèce et les conditions.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・action des forces / travail et énergie | Relation entre distance d'arrêt et force |
| Lycée | Physique fondamentale・travail et énergie cinétique | Section « Vérification par le calcul » |
| Lycée+ | Physique・déformation des matériaux et aire sous la courbe | Comparaison de la ténacité |
| Université | Résistance des matériaux・science des polymères・biophysique | Résistance à la déchirure propre à la forme en toile |
| Recherche | Bio-inspiration・arachnologie | Rétrécissement à l'humidité et fil artificiel |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Atterrissage genoux pliés, linge suspendu lâchement, réparation de la toile abîmée |
- Shigeyoshi Osaki, Kumo no ito no misuterī (« Le mystère du fil d'araignée »), Chūōkōron-Shinsha (森林総合研究所) (solidité et étirement du fil d'araignée, structure de la toile)
- Eiichi Shinkai, Nihon no kumo (« Les araignées du Japon »), Bun-ichi Sōgō Shuppan (espèces d'araignées tisseuses et formes de toiles)
- National Astronomical Observatory of Japan (éd.), Rika nenpyō (« Annuaire scientifique »), Maruzen Publishing (valeurs de résistance à la traction des métaux et des fibres)
- Ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT), Commentaire du programme d'enseignement secondaire ― sciences (traitement du travail et de l'énergie cinétique)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les chiffres indiqués sont des ordres de grandeur donnés pour faciliter la compréhension du mécanisme. La solidité et l'élasticité du fil varient beaucoup selon l'espèce d'araignée et les conditions. Lorsque vous observez des animaux ou leurs toiles, évitez de les toucher plus que nécessaire et de perturber leur environnement.