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Du vol des oiseaux (4e Partie)

E.-J. Marey, la Revue des cours scientifiques — 2 octobre 1869

Mis en ligne par Denis Blaizot le mercredi 11 novembre 2009

Voyez 26 décembre 1868, 13 février, 20 mars, 14 et 21 août et 11 septembre 1869.

V — De la réaction produite par chaque mouvement de l’aile sur la masse de l’oiseau — Appareil destiné à apprécier les oscillations que l’oiseau exécute dans le plan vertical pendant le vol — Tracés des oscillations verticales recueillis sur différentes espèces d’oiseaux — Détermination des différentes phases de la révolution de l’aile auxquelles correspondent les oscillations verticales de l’oiseau — Détermination des variations de la vitesse du vol — Tracé simultané de deux ordres d’oscillations de l’oiseau dans le vol

L’étude des différents mouvements que l’aile exécute pendant le vol de l’oiseau conduit nécessairement à la recherche de l’effet produit par chacun de ces mouvements, On pourrait tenter de déduire ces effets de la nature même des mouvements qui les engendrent ; mais il est plus sûr de demander à l’expérimentation la solution de ce problème qui est assez compliqué.

Deux effets distincts sont produits pendant le vol : d’une part, l’oiseau est soutenu contre la pesanteur ; d’autre part, il est soumis à une force propulsive qui le transporte d’un lieu à un autre. Mais l’oiseau soutenu dans les airs y garde-t-il un niveau sensiblement constant, ou bien subit-il des oscillations dans le plan vertical ? N’éprouve·t·il pas, par l’effet intermittent du battement de ses ailes, une série de remontées et de descentes dont l’œil ne saurait saisir la fréquence ni l’étendue ? — D’autre part, dans son transport horizontal, l’oiseau n’est-il pas animé d’une vitesse variable ? Ne trouve-t-il pas dans l’action de ses ailes une série d’impulsions qui donnent à son transport un mouvement saccadé ?

Ces questions peuvent être résolues expérimentalement, et voici de quelle manière :

Puisque nous disposons d’un moyen qui permet d’envoyer à distance et d’écrire des mouvements qui consistent en une pression sur la membrane d’un tambour plein d’air, il faut chercher à ramener les mouvements que nous voulons connaître à une pression de ce genre.

Il faut que les oscillations que l’oiseau peut exécuter dans le plan vertical produisent, sur la membrane d’un tambour, des pressions alternativement fortes ou faibles suivant que l’oiseau monte ou descend. La même marche devra être suivie dans la recherche des veriarions de sa vitesse horizontale.

Supposons qu’un oiseau qui vole porte, fixé sur le dos, un tambour métallique semblable à ceux que nous connaissons déjà. Que la membrane de cc tambour soit tournée en haut, et que cet instrument soit mis en communication par un long tube avec l’appareil enregistreur. La membrane du tambour, obéissant à tous les mouvements de l’oiseau, ne produira aucun déplacement de l’air des appareils ; le levier enregistreur restera immobile.

Mais si nous empêchions la membrane de subir tous les mouvements de l’oiseau, si nous pouvions lui donner une tendance à garder un niveau constant, ce serait le tambour qui se déplacerait par rapport à la membrane, la soufflerie se produirait, et avec elle, les signaux enregistrés pa : le leevier,

Or cette tendance à la conservation du plan horizontal, nous pouvons l’imposer à la membrane ; il suffit de la charger d’une masse inerte ; un disque de plomb, par exemple. — La figure 116 montre le tambour qui porte sur sa membrane une masse inerte. Cette masse est formée de disques de plomb dont on peut ajouter ou retrancher un certain nombre jusqu’à ce que l’appareil réponde bien aux mouvements d’oscillation verticale qui lui sont imprimés.

Avec cette disposition, les mouvements ne translation horizontale sont sans influence sur l’appareil, mais la moindre oscillation dans le sens vertical se traduit par un mouvement semblable du levier enregistreur. En effet, si le tambour s’élève, la masse inerte ne participant pas complètement à cette élévation déprime la membrane, absolument comme si celte masse avait été abaissée, le tambour étant immobile. Inversement, quand le tambour descend, l’inertie de la musse la fait rester en arrière du mouvement : c’est comme si elle avait été soulevée, le tambour étant immobile.

Remarquons que le mouvement du levier enregistreur se trouve alors précisément du même sens que celui du tambour ; c’est-à-dire que si le tambour s’élève, le levier s’élève aussi. En plaçant un appareil de ce genre sur le dos d’un oiseau qui vole, il peut arriver que, dans le mouvement des ailes, quelques plumes viennent à frotter sur la membrane du tambour, ce qui produirait de la confusion dans les signaux enregistrés.

Pour éviter cet effet, je couvre d’un grillage métallique la partie supérieure de l’appareil, et j’obtiens la disposition qui est représentée figure 116.

Le tambour est représenté tenu à la main par son tube de transmission qui, d’autre part, communique avec un levier enregistreur. Si l’on agite le tambour dans le plan vertical, on voit que le levier s’agite dans le même sens, du même rythme, et que l’amplitude des mouvements signalés est proportionnelle à celle des mouvements que l’on exécute avec la main. Si, au contraire, on imprime à l’appareil des mouvements de latéralité, ils restent sans effets sur le levier et ne donnent aucun signa1.

Mais, dira-t-on. une masse inerte placée sur une membrane élastique tend à exécuter des vibrations propres, il s’en suit qu’indépendamment des mouvements d’oscillation de l’oiseau, l’appareil devra transmettre les vibrations mêmes de la masse de plomb et de la membrane qui la porte. Comment se débarrasser de cette complication ?

Les lois des vibrations nous apprennent que la durée de la double période de chacune d’elles varie avec la masse vibrante et avec la force élastique de la tige, de la lame ou de la membrane qui porte cette masse. Plus la masse est grande et l’élasticité faible, plus sera longue la période de la vibration, Or, les mouvements que nous étudions ici sont assez fréquents, certains oiseaux donnant huit ou dix battements d’aile par seconde. Si nous faisons en sorte que la période de l’oscillation propre de la masse de plomb soit beaucoup plus longue que celle de l’oiseau, nous ne serons plus gênés par la complication de ces mouvements interférents.

En employant une musse de plus en plus lourda et une membrane de moins en moins tendue, on arrive par le tâtonnement à obtenir une bonne transmission des mouvements qui ne sont pas trop lents ; de ceux qui, par exemple, durent moins d’une demi-seconde, C’est plus qu’il n ’en faut pour pouvoir appliquer l’instrument à l’étude des oscillations de toutes les espèces d’oiseaux.

Mais, pour plus de sûreté, avant de faire fonctionner l’appareil, j’ai voulu vérifier directement l’exactitude de ses indications. la méthode que j’ai suivie, très analogue à celle que j’emploie pour contrôler tous mes appareils, consistait en ceci. Écrire directement le tracé du mouvement que j’imprimais à l’appareil explorateur des oscillations (c’est-à-dire nu tambour chargé d’une masse), et voir si le mouvement indirectement enregistré par le levier était identique avec le premier.

Je reliai donc au premier appareil une tige munie d’une pointe écrivante, je fis tracer cette pointe sur le cylindre verticalement au-dessous de la pointe du levier enregistreur ; j’imprimai à l’appareil des secousses variées en fréquence et en amplitude, et lorsque je constatai que les deux tracés étaient sensiblement identiques, je jugeai que l’appareil pouvait êre employé dans l’étude des oscillations de l’oiseau.

Des expériences faites sur différentes espèces : Canard, Buse, Busard, Chouette, m’ont montré qu’il existe des types très-variés du vol, au point de vue de l’intensité des oscillations dans le plan vertical.

La figure 117 montre les tracés fournis par ces différentes espèces d’oiseaux. Tous ces tracés, recueillis sur un cylindre qui tourne avec une vitesse constante, et rapportés à un diapason chronographe de cent vibrations par seconde, permettent d’apprécier la durée absolue et relative des oscillations du vol chez ces différents oiseaux.

Il ressort de cette figure que la fréquence et l’amplitude des oscillations verticales varient beaucoup suivant l’espèce d’oiseau qu’on étudie. Pour mieux faire connaître la cause de chacun de ces mouvements, enregistrons en même temps les oscillations verticales de l’oiseau et l’action des muscles de l’aile. Si l’on fait cette double expérience sur deux oiseaux très différents entre eux par leur manière de voler, tels que le Canard sauvage et la Buse, on obtient les tracés représentés figure 118.

Le Canard présente à chaque révolution de son aile deux oscillations énergiques : l’une en b, au moment où l’aile s’abat, elle est facile à comprendre ; l’autre en a, au moment où l’aile remonte. Pour expliquer l’ascension de l’oiseau pendant ce temps d’élévation de l’aile, il me semble indispensable de faire intervenir l’effet de cerf-volant dont il a été question plus haut. L’oiseau animé de vitesse présente ses ailes à l’air sous forme de plan incliné ; il se produit alors un effet analogue à la remontée dont il a été parlé à propos des appareils planants qui transforment leur vitesse acquise en ascension.

Le vol do la Buse présente à un moindre degré l’ascension qui accompagne la remontée de l’aile. Ne faut-il pas voir la cause de cette différence dans une inclinaison moins grande de l’aile remontante par rapport à l’horizon ?

Détermination des différentes phases de la révolution de l’aile auxquelles correspondent les oscillations verticales de l’oiseau, — L’interprétation de ces courbes s’éclairera tout li l’heure des expériences faites sur les variations de la vitesse de transslation de l’oiseau aux différents instants de la révolution de son aile.

Mais ayant d’aller plus loin, notons que l’expérience précédente nous fournit un renseignement très-précieux pour la théorie du vol. En effet, si l’oiseau exécute une série de chutes et de remontées, la durée des périodes de chutes nous fera connaître, au moins approximativement, la quantité de travail positif que l’oiseau devra faire pour remonter au niveau d’où il était tombé. et nous voyons que le Canard, qui a neuf révolutions de l’aile par seconde, exécute à chaque révolution deux oscillations verticales, soit dix-huit par seconde. Chaque oscillation se composant d’une montée et d’une descente, chaque chute de l’oiseau ne saurait durer plus de 1/36e de seconde.

Or, si l’on fait abstraction de l’effet de parachute que produisent vraisemblablement les ailes déployées de l’oiseau, un corps qui tombe l’espace de 1/36e de seconde ne parcourt que 52 millimètres.

Cette chute répétée dis-huit fois par seconde constituerait 9,36 de remontée nécessaire pour ramener pendant chaque seconde l’oiseau dans le même plan horizontal.

Dans le tracé de la Buse, les chutes sont plus lentes que chez le Canard, probablement à cause de la grande surface des ailes de l’oiseau.

Détermination des variations de la vitesse du vol. — La seconde question que nous avons à résoudre est relative à la détermination des phases variées de la vitesse du vol. Elle peut trouver sa solution dans remploi de la même méthode.

Si le tambour chargé d’une masse de plomb était placé sur le dos de l’oiseau de façon à présenter sa membrane dans un plan vertical perpendiculaire à la direction du vol, cet appareil serait insensible aux oscillations verticales et signalerait seulement les oscillations qui se font d’avant en arrière et inversement.

De plus, en tournant en avant la membrane du tambour, il est clair que si l’oiseau accélère sa vitesse, le retard de la masse sur la translation de l’appareil produira un refoulement de l’air du tambour et une élévation du levier, tandis que le ralentissement de l’oiseau amènera la descente du levier enregistreur.

L’expérience faite sur les espèces d’oiseaux indiquées précédemment fournit des tracés analogues à ceux des oscillations verticales.

S’il est vrai, comme je l’ai supposé, que l’oscillation verticale de l’oiseau, au moment de la remontée de l’aile, soit due à la transformation de la vitesse en hauteur, en recueillant simultanément le tracé des oscillations verticales et celui des variations de la vitesse, on aura le moyen de vérifier cette théorie.

En recueillant en même temps les deux ordres d’oscillations dans le vol d’une Buse, j’ai vu que la phase d’abaissement de l’aile produit à la fois l’élévation de l’oiseau et l’accélération de sa vitesse horizontale. Cet effet est la conséquence nécessaire de l’inclinaison du plan de l’aile au moment de sa descente ; nous le connaissons déjà pour l’avoir obtenu dans le vol de l’insecte. Quant à la phase de remontée de l’aile, on constate que pendant la légère ascension qui se produit, la vitesse de l’oiseau diminue, En effet, la courbe des variations de vitesse s’abaisse au moment où l’oiseau prend de la hauteur, C’est donc une confirmation de la théorie précédemment émise sur la transformation de la vitesse de l’oiseau en hauteur.

Ainsi, par. ce mécanisme, le coup d’aile descendant crée la force qui produira les deux oscillations de l’oiseau dans le plan vertical. Ce coup d’aile produit directement l’ascension qui est synchrone avec lui et indirectement, en créant de la vitesse, il prépare la seconde oscillation verticale de l’oiseau.

Tracé simultané des deux ordres d’oscillations de l’oiseau. — Au lieu de représenter séparément les deux ordres d’oscillations que l’oiseau exécute en volant, j’ai pensé qu’il serait plus instructif de chercher à obtenir une courbe unique représentant l’ensemble des mouvements que le corps de l’oiseau exécute pendant sa translation dans l’espace.

la méthode qui a servi à obtenir les mouvements de la pointe de l’aile de l’oiseau peut, avec certaines modifications, fournir le tracé, simultané des deux ordres de mouvements que le corps de l’oiseau exécute dans l’espace. Pour cela, il faut que les deux tambours rectangulairement combinés soient reliés avec une même masse inerte.

Reportons-nous à la figure 103 (n°41 de cette Revue) qui montre les deux leviers conjugués communiquant entre eux par des tubes qui transmettent à l’un tous les mouvements que l’autre exécute. Quand on imprime au premier levier un mouvement quelconque, le second levier reproduit le même mouvement dans le même sens.

Chargeons maintenant l’un des leviers d’une masse de plomb, et prenant en main le support de l’appareil, faisons-lui décrire un mouvement quelconque dans un plan perpendiculaire à la direction du levier. Nous verrons que le levier n°2 exécute des mouvements absolument inverses.

En effet, puisque la force motrice qui agit sur les membranes des tambours n’est autre chose que l’inertie de la masse de plomb, que cette masse est toujours en retard sur les mouvements imprimés à l’appareil, il est clair que si l’on élève tout le système, la masse retiendra le levier en bas ; que si l’on abaisse le système, la masse retiendra le levier en haut ; que si on le porte en avant, la masse retiendra le levier en arrière, etc, Or le levier n°2, exécutant les mêmes mouvements que le n°1, donnera des courbes qui seront absolument l’inverse du mouvement qu’on aura imprimé au support de l’appareil.

Ceci posé, passons à l’expérience. Pour cela, je prends l’appareil qui est représenté figure 105 sur le dos de la Buse qui vole ; je supprime la tige qui recevait les mouvements de l’aile, ainsi que le parallélogramme qui les transmettait au levier. Je ne conserve que le levier relié aux deux tambours, et la monture qui fixe le système tout entier sur le dos de la Buse. J’adapte une masse de plomb sur ce levier et je fais voler l’animal.

Le tracé recueilli est représenté figure 119. L’analyse de cette courbe est au premier abord extrêmement difficile ; j’espère toutefois réussir à en montrer la signification.

Cette courbe est recueillie sur le cylindre, dans les mêmes conditions que la figure 106 montrant les différents mouvements de la pointe de l’aile ; la plaque se meut de droite à gauche ; le tracé se lira donc de gauche à droite. La tête de l’oiseau est placée vers, la gauche ; son vol s’effecctue dans la direction de la flèche.

Nous pouvons partager cette figure en une série de tranches par des lignes verticales passant par des points homologues, soit qu’on fasse passer ces verticales par le sommet des boucles, soit qu’on les mène par le sommet des courbes simples, comme cela a été fait pour les points a et e. Chacune de ces tranches renfermera des éléments assez semblables, sauf leur développement inégal dans les différents points de la figure ; négligeons pour le moment ces détails.

Il est clair que le retour périodique de formes semblables correspond au retour des mêmes phases d’une révolution de l’aile de l’oiseau, La tranche a e représentera donc les différents mouvements de l’oiseau dans une révolution alaire.

Rappelons-nous que dans la courbe que nous analysons, tous les mouvements sont inverses de ceux que l’oiseau exécute en réalité. Les deux oscillations verticales de l’oiseau, la grande et la petite, doivent donc se traduire par deux courbes dont le sommet sera en bas. Il est facile de reconnaître leur existence dans la grande courbe a b c et la petite c d e. L’oiseau montait donc de a en b, descendait de b en c ; il remontait de c en d, redescendait de d en e.

Mais ces deux oscillations chevauchent l’une sur l’autre, cc qui produit la boucle c d ; l’oscillation c d e recouvre en partie la première en se portant du coté de la tête de l’oiseau. C’est une preuve, puisque les Indications de la courbe sont inverses du mouvement réel, que l’oiseau à ce moment sc portait en arrière ou du moins ralentissait sa course [1].

Cette figure donc résume tout ce que les expériences précédentes nous ont appris sur les mouvements de l’oiseau dam l’espace. On y voit que l’oiseau exécute à chaque révolution de son aile deux montées suivies de descentes ; que ces oscillations sont inégales ; la grande, comme on sait, correspond à l’abaissement de l’aile, la petite à son élévation. On voit, enfin, que l’ascension exécutée par l’oiseau pendant la remontée de l’aile, s’accompagne de ralentissement de la vitesse de l’animal, ce qui justifie la théorie par laquelle celte remontée a été considérée comme l’aile aux dépens de la vitesse acquise par l’oiseau.

Mais ce n’est pas tout ; cette courbe nous fait voir encore que les mouvements de l’oiseau ne sont par les mêmes au commencement qu’à la fin du vol. Nous avons déjà vu (fig, 100) que les coups d’ailes au départ sont plus étendus, nous voyons ici qu’au départ, c’est-à-dire à gauche de la figure, les oscillations produites par la descente de l’aile sont aussi plus étendues. Mais la théorie fait prévoir que l’oscillation de la remontée de l’aile étant empruntée à la vitesse de l’oiseau doit être très faible au début du vol, quand l’oiseau n’a encore que peu de vitesse. La figure nous montre que c’est bien ainsi que les choses se passent et qu’au début du vol, la seconde oscillation de l’aile (celle qui forme la boucle) est très peu prononcée.

Nous voici donc en possession des notions principales sur lesquelles peul s’établir la recherche du travail mécanique développé par l’oiseau son vol, et nous voyons que c’est pendant la descente de l’aile que se crée tout entière la force motrice qui soutient et dirige l’oiseau dans l’espace.


[1Comme l’appareil n’est sensible qu’aux changements de vitesse, il est clair que le tracé ne tient aucun compte de la vitesse uniforme de l’oiseau, mais qu’il accuse comme mouvement en avant les accélérations, et comme rétrogradation les ralentissements.