Le monde naturel regorge de créatures qui diffèrent par leur méthode inhabituelle de mouvement, leur apparence, leurs préférences gastronomiques, leur comportement, etc. Bien sûr, il n'y a rien d'inhabituel pour eux-mêmes, car tout cela est le résultat de centaines de milliers d'années d'évolution visant à la survie de l'espèce dans des conditions environnementales en constante évolution. Ce qui est nécessaire à un animal devient pour nous l'objet de recherche et d'inspiration dans les développements utilisés dans une variété d'industries, de la médecine à la robotique. Les scientifiques du Georgia Institute of Technology (États-Unis) ont donc décidé de mener une analyse détaillée de la trompe de l'éléphant, à l'aide de laquelle le géant herbivore est capable de boire et de collecter de la nourriture. Qu'arrive-t-il à la trompe lorsque l'éléphant boit, quelle force utilise-t-il lorsqu'il ramasse de petits objets,et où les données obtenues peuvent-elles être appliquées ? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Va.
Base de recherche
Bien que les éléphants soient les plus grands propriétaires d'une trompe, ils sont loin d'être les seuls. Papillons, ténias, sangsues, punaises de lit, tapirs, éléphants de mer, etc. - ils ont tous une forme de tronc. Dans divers cas, le tronc sert d'organe de toucher, de nutrition, voire de protection.
Pour les éléphants, la trompe, formée du nez et de la lèvre supérieure, est une sorte de "couteau suisse". Avec son aide, ils collectent de l'eau (qui est ensuite versée dans leur bouche), ramassent de petits objets, cueillent des fruits, respirent en traversant des plans d'eau, utilisent en communication avec leurs proches, etc.
Image # 1
Un éléphant d'Afrique ( Loxodonta africana) consomme plus de 200 kg de végétation par jour, passant environ 18 heures par jour à récolter de l'herbe, des feuilles, des fruits et des écorces d'arbres ( 1a ).
Le plus surprenant est que la trompe d'un éléphant peut peser environ 100 kg, mais l'éléphant peut facilement ramasser un objet petit et fragile sur le sol sans l'endommager. Le secret d'une telle précision réside non seulement dans la flexibilité et la mobilité du tronc, mais aussi dans l'air qu'il aspire. Les scientifiques ont suggéré que les narines et les poumons de l'animal jouent un rôle important dans la façon dont l'éléphant manipule la trompe. Lors de l'absorption d'eau, certains changements se produisent également en raison de la contraction musculaire, ce qui permet à l'éléphant de recevoir plus d'eau en une seule fois.
Le fait que les éléphants utilisent l'eau et l'air comme outils supplémentaires pour manipuler des objets dans l'environnement a été décrit en 1871 par Charles Darwin. Il a remarqué que les éléphants peuvent déplacer des objets hors de leur portée en soufflant dans leur trompe. Les éléphants peuvent ajuster la longueur du coup en fonction de la distance à l'objet, et même diriger délibérément un jet d'air vers le mur, qui poussera alors l'objet plus près d'eux.
Les scientifiques notent que les animaux qui manipulent des objets avec un flux de fluide vivent généralement dans l'eau plutôt que sur terre. Un exemple frappant est celui des poissons du genre Toxotes (pulvérisateurs), capables de lancer un jet d'eau sur les insectes au-dessus de la surface du réservoir.
Éclaboussure à la chasse.
Les calmars et les poulpes tirent également de l'eau, mais pas pour chasser, mais pour se déplacer. De nombreuses espèces de poissons utilisent ce qu'on appelle "l'alimentation par aspiration", où ils aspirent la nourriture dans leur bouche.
Étant donné le caractère unique de ce comportement parmi les créatures terrestres, les éléphants et leurs trompes nécessitent une étude, selon les scientifiques. Par conséquent, plusieurs tests ont été effectués, au cours desquels les scientifiques ont enregistré toute modification de la morphologie de la trompe de l'éléphant lors de l'alimentation, de la prise d'eau et de la manipulation de petits objets fragiles.
Résultats de recherche
Au cours des tests (14 runs), l'éléphant expérimental a été nourri avec des rutabagas coupés en cubes de différentes tailles. La prise du tronc variait en fonction de la taille et du nombre de dés ( 1b ). Lorsque l'éléphant a reçu 10 petits cubes (moins de 40 mm), il a utilisé l'extrémité tenace de la trompe sans aspiration. S'il y avait plus de 10 petits cubes, alors l'éléphant préférait l'absorption ( 1c ). C'est drôle que les scientifiques aient caractérisé le son qui accompagnait ce processus comme le son d'un aspirateur en marche.
Méthodes de collecte des cubes de rutabaga petits (16 mm) et grands (32 mm). Dans le premier cas, il y a aspiration (notez le son). Dans le second, il n'est pas là, puisque les cubes sont trop gros.
Curieusement, lors des tests de grains, l'aspiration n'a pas été utilisée, au lieu de cela, l'éléphant a essayé de saisir autant de grains que possible dans une poignée. Très probablement, il n'y avait pas d'aspiration pour empêcher les grains de se coincer dans le tronc.
Puis le repas de l'éléphant s'est poursuivi avec des chips (tortilla) afin d'évaluer son interaction avec de gros objets plats. L'épaisseur de la puce ne dépasse pas 500 microns, il est donc difficile de la soulever d'une surface plane (une plate-forme de force a été utilisée) Pour casser la puce, vous devez appliquer une force de 11 ± 2 N (Newton), soit environ 1% du poids de la trompe de l'éléphant.
Après le premier contact, le processus d'élévation de la puce a pris 3,0 ± 0,2 secondes. Le processus lui-même peut être divisé en trois étapes ( 1d et 1e ) : approcher un objet, chercher un objet, soulever un objet.
Attraction des copeaux par aspiration d'air (vidéo ralentie 5 fois).
Au début, l'éléphant n'a pas touché directement la puce, mais a touché le bord extérieur de la plate-forme de force, tout en appliquant une force de 4 ± 1 N. Pendant la phase de recherche, il s'est approché de la puce en appliquant une force de 5 N, c'est-à-dire. 50% de la force nécessaire pour casser la puce.
Au cours de la phase d'ascension, deux comportements différents ont été observés. Dans le premier cas, l'éléphant a appliqué une succion à une distance fixe de la puce ( 1d ). Dans le second, il a appliqué une succion, en appuyant le tronc directement sur la puce ( 1e ). Il est également curieux que, de toute façon, l'éléphant ait presque toujours soulevé la puce sans l'endommager.
L'observation visuelle des éléphants, bien qu'amusante, fournit trop peu de données. Par conséquent, les scientifiques ont également mesuré la pression d'aspiration créée lors des tests avec de l'eau. Afin de mieux visualiser le flux aspiré par le tronc, des graines de chia ont été ajoutées à l'eau. Le profil d'écoulement semble être parabolique, comme en témoigne la plus grande distance parcourue par les graines de chia au centre des narines ( 2a ).
Image # 2 Le
graphique 2c montre l'évolution de l'écoulement du liquide dans le tronc au fil du temps, mesuré à mesure que le liquide dans le réservoir diminue. Au cours de trois essais, l'éléphant a aspiré de l'eau pendant 1,5 ± 0,1 s, ce qui correspond au débit volumétrique Q w= 3,7 ± 0,3 l/s. Et là encore les scientifiques font une étrange comparaison (pour les Américains c'est une pratique tout à fait normale) : un tel débit volumétrique équivaut à 20 chasses d'eau (je ne sais pas comment une telle comparaison peut aider à évaluer ou visualiser la force du débit, mais d'accord).
Expérience d'aspiration d'eau.
Le volume total de liquide dans le coffre était de 5,5 ± 0,41 litres. Après aspiration de 3 litres, il y a eu une pause d'environ une demi-seconde, moment auquel le débit était de 1 ± 1,2 l/s. Le débit augmente ensuite à nouveau jusqu'à 4,5 ± 2,1 l/s pendant la dernière demi-seconde du cycle d'aspiration. Une dynamique similaire a été observée lors de toutes les observations. Les scientifiques suggèrent que de courtes pauses pendant l'absorption sont nécessaires pour empêcher l'eau de pénétrer dans le sphincter postérieur du tronc.
Pour une analyse plus poussée, il a été nécessaire d'établir le volume interne du tronc (environ 1,9 m de long). Pour cela, les données des mesures de la section transversale du tronc ont été utilisées. La cavité du tronc a un rayon de 1 cm à l'extrémité distale et de 3 cm à l'extrémité proximale. Le volume estimé du coffre dans ce cas sera de 5,2 litres, ce qui est presque égal au volume d'eau aspiré (5,5 litres). Comment un éléphant peut-il puiser plus d'eau que sa propre trompe ? Des études antérieures ont montré la présence d'une structure musculaire s'étendant des narines qui permet au tronc de se dilater.
De plus, les scientifiques ont effectué des examens échographiques ( 3a) pour connaître les limites de l'expansion de cette structure. Des mesures échographiques des parois du tronc ont été effectuées dans trois conditions : respiration naturelle, prise d'eau et prise d'eau de son.
3 image
dans l'image 3c et 3d, on voit que les muscles radiaux se sont contractés lorsque l'éléphant a puisé de l'eau dans le son.
Examen échographique de la paroi nasale d'un éléphant lors de l'absorption du son. La flèche rouge marque la frontière entre le liquide et la paroi nasale.
Le rayon initial du tronc et de la narine est respectivement de 7,5 et 1,5 cm. Par conséquent, l'épaisseur de la paroi du tronc étudiée est de 6 cm. Lorsque l'eau était aspirée, l'épaisseur de la paroi diminuait à 5,7 cm, et lorsque l'eau contenant du son était absorbée, jusqu'à 5,6 cm. Il a
été constaté que le rayon de la narine pendant l'absorption d'air, d'eau et d'eau avec le son était de : 1,5 ± 0,2 cm, 1,8 ± 0,2 cm et 1,9 ± 0,2 cm, respectivement ( 3e ). Ainsi, les valeurs du rayon lors de l'absorption d'eau et d'eau avec le son ont augmenté de 18% et 28%, respectivement.
Si nous supposons que le rayon augmente sur toute la longueur du tronc, alors le volume interne du tronc augmente de 40 % pour l'eau et de 64 % pour l'eau de son.
Cependant, chaque système a sa limite. Les scientifiques ont créé un modèle mathématique pour calculer la distance efficace pour l'alimentation par aspiration ( 2d ). Le modèle nous a permis d'établir la pression maximale utilisée dans les expériences avec l'eau, et la distance maximale de la puce, à laquelle l'éléphant peut la soulever par aspiration.
Dans les expériences avec l'eau, la vitesse moyenne de l'eau (u w ) dans le tronc est le débit divisé par la section transversale des narines : Q w / (2πa 2) ∼ 2,7 m / s, où a = 2,1 cm est le rayon de la narine. La pression maximale a été observée à la fin du cycle d'aspiration, lorsque l'eau atteint sa vitesse et sa hauteur maximales dans le tronc. En calculant le nombre de Reynolds * du flux à l'intérieur de la narine, vous pouvez savoir si le fluide connaît des turbulences.
Nombre de Reynolds * - le rapport des forces d'inertie aux forces de friction visqueuses dans les liquides et les gaz visqueux.Le nombre de Reynolds pour le transport de l'eau à travers le tuyau est Rew = 8,1 x 10 4 , et le nombre de Reynolds pour l'air est de 4,2 x 10 6 . Étant donné que ces nombres de Reynolds sont supérieurs à 4000, la loi de Bernoulli * peut être utilisée pour l'approximation . En conséquence, la pression appliquée s'est avérée être de -20 kPa.
Loi de Bernoulli * - si la pression du fluide augmente le long de la ligne de courant, alors le débit diminue, et vice versa.Si la même pression est appliquée lors de l'aspiration du copeau, alors la vitesse de l'air est de 150 m/s. Les calculs montrent également que la distance à laquelle un éléphant peut effectivement attirer des objets dépend linéairement de la taille de la narine. Par conséquent, un objet avec une plus petite masse ou une plus grande surface peut être efficacement absorbé et à une plus grande distance que lors d'expériences avec des puces.
Dans les expériences, la surface de la puce était de 113 cm 2 et la masse était de 10 g. Compte tenu de l'accélération de la gravité (dans les calculs, elle était de 9,81 m / s 2 ) et de la pression calculée (-20 kPa), les scientifiques ont constaté que la hauteur d'aspiration effective maximale est de 4,6 cm.
L'aspect le plus important affectant l'efficacité de l'aspiration est la pression dans les poumons de l'éléphant. Les éléphants peuvent créer une pression élevée dans leurs poumons en raison de leur système respiratoire spécialisé. Un réseau extensible de fibres de collagène remplit l'espace pleural, reliant librement les poumons à la paroi thoracique, sans restreindre le mouvement pulmonaire par rapport à la paroi thoracique ( Pourquoi un éléphant n'a-t-il pas de cavité pleurale ? , John B. West, 2002).
C'est cette caractéristique anatomique qui permet aux courants d'air d'être générés à une vitesse aussi élevée. De plus, le fascia endothoracique* chez les éléphants est huit fois plus épais que chez les humains, les lapins, les rats et les souris, ce qui peut créer une pression supplémentaire dans leurs poumons.
* — , . .
Image #4
En conclusion, les scientifiques, sur la base des données obtenues, ont décidé de déterminer si d'autres animaux sont capables d'attirer des objets par succion, comme les éléphants. Tout d'abord, le rapport du poids corporel au rayon de la narine ( 4a ) a été estimé , qui augmente avec la taille de la créature (par rapport à ceux qui ont été pris en compte dans les calculs).
Les éléphants ont les narines les plus larges de tous les mammifères étudiés, avec un rayon de narine de 10 mm à la pointe à 30 mm à une distance de 90 cm de celle-ci. En utilisant les éléphants comme point de rapport, les scientifiques ont cartographié la distance maximale à laquelle les mammifères, en théorie, peuvent attirer des objets par aspiration ( 4b ). Par exemple, pour les vaches cette distance est de 1 cm et pour les porcs et les tapirs de 0,65 cm.
Et le plus drôle, bien sûr. Une personne peut également attirer des objets en aspirant de l'air, bien qu'ils ne soient pas plus épais qu'une feuille de papier, et la distance maximale pour un tour réussi avec une puce ne peut pas dépasser 0,4 mm. Toute fluctuation de l'air entre la puce et le nez rendra le tour impossible.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .
Épilogue
Car ce qu'on peut aimer la science, c'est pour son infinité. Une personne est prête avec une immense curiosité à tout explorer, de l'espace mystérieux et des profondeurs des océans à la trompe d'un éléphant.
Dans cette étude, les scientifiques ont mené des expériences et des calculs détaillant comment exactement l'éléphant parvient à attirer des objets en utilisant l'aspiration. D'une part, cela semble être un processus très simple, mais de nombreux facteurs sont nécessaires à sa mise en œuvre, des poumons non standard à la structure musculaire flexible du tronc.
Pour un éléphant, sa trompe est à la fois un manipulateur, un capteur environnemental et un outil d'échantillonnage. L'odorat des éléphants est bien meilleur que le nôtre, et la flexibilité et la mobilité de la trompe leur permet d'interagir avec les objets les plus fragiles sans les endommager.
Les éléphants sont des créatures étonnantes qui peuvent facilement être considérées comme un exemple de la façon dont même les bizarreries apparemment étranges de l'évolution ont un sens, une logique et une application pratique.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez un bon week-end, les gars. :)
PS Après avoir lu ce document, n'essayez pas de faire rentrer des jetons à la maison en aspirant de l'air. Il est peu probable que les auteurs de l'étude aient voulu que vous vous étouffiez en essayant de représenter Dumbo.
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