CHAPITRE VIII

Torsion de l’aile sous l'influence de la résistance de l'air. — Inscription de cette torsion dans ses rapports avec les différentes phases d’un battement d’aile. — Figure représentant l'inclinaison de l'aile aux divers points de sa trajectoire. — Des réactions verticales que le coup d’aile imprime au corps de l'oiseau ; caractères de ces réactions dans les différentes espèces. — Rapport des oscillations verticales avec les phases du battement de l'aile. — Variations de la vitesse de l'oiseau aux différentes phases du battement des ailes. — Résumé des applications de la méthode graphique à l'analyse des phénomènes du vol.

S 78. Torsion de l'aile sous l'influence de la résistance de l'air. — Quand l'aile qui descend rencontre la résistance de l'air, cette résistance à pour effet de changer la courbure des rémiges et de tordre la surface de l'aile. Prechtl a montré l'utilité de cette élasticité des rémiges qui emmagasinent, à la façon d’un ressort, une partie du travail moteur dépensé dans le coup d’aile, et restituent ensuite ce travail en reprenant leur forme première ‘.

Si les mouvements que l'aile décrit dans l'air, à chacun de ses battements, étaient parfaitement connus, il serait peut-être possible de prévoir à quel moment se produisent les changements de courbure des rémiges, les torsions et les détorsions de l'aile, mais, dans l’état encore imparfait de nos connaissances, il vaut mieux déterminer expérimentalement les différentes flexions de l'aile par l'effet de la résistance de l’air.

1. C’est toujours par l’action de tissus élastiques que l'organisme utilise les forces motrices, essentiellement intermittentes, qui sont engendrées dans le tissu musculaire. On trouve dans la circulation du sang d’intéressantes applications de ce principe.

D'autre part, l'effet des coups d’aile étant de soutenir l'oiseau et de le transporter dans l'air, il y a lieu de rechercher si l'oiseau va droit à son but comme une flèche, ou si, comme tous les genres de locomotion animale, le vol s'accompagne de certaines saccades qui consistent en changements périodiques de niveau et de vitesse de l'animal, changements rythmés avec l’action intermittente de ses muscles.

L'observation donne à cet égard quelques renseignements. Les battements des ailes impriment au corps des réactions verticales parfois très visibles, tandis que, dans le vol plané, l'oiseau paraît glisser sur l'air, sans présenter la moindre saccade.

Les oscillations verticales se voient très bien sur les Mouettes et les Goélands qui suivent les navires. Pendant de longues heures, on les voit sautiller à chaque battement d’ailes, et l’on peut apprécier l'étendue de ces oscillations, en prenant pour point de repère certains agrès du navire, le bord d’une vergue par exemple.

S'il y a des saccades dans le sens horizontal, elles doivent consister en variations périodiques de la vitesse de translation. Je crois avoir également observé des mouvements de ce genre sur les oiseaux de mer, mais ils sont beaucoup moins faciles à saisir que les changements de hauteur.

Ces diverses saccades, si elles sont fort prononcées, constituent, en réalité, des imperfections dans le vol: elles entraînent

en effet une dépense de travail moteur entièrement inutile, puis-

qu’elle s'applique à imprimer à la masse de l'oiseau des accélérations de signes contraires".

C’est encore à la méthode graphique de déterminer si ces mouvements existent au même degré chez les différentes espèces el à quels instants du baltement de l'aile ils se produisent.

Pour résoudre ces nouvelles questions, il faudra introduire quelques modifications dans les appareils que le lecteur connaît déjà.

1. Ce vol saccadé m'a paru ne se produire d'une manière bien nette que

si l'oiseau s’astreint à ralentir son vol, pour le régler sur la vitesse du navire.

INSCRIPTION DES EFFETS MÉCANIQUES DU COUP D’AILE. da

$ 79. Inscription de la torsion de l'aile dans ses rapports avec les différentes phases d'un battement. — Il a fallu faire subir certaines modifications à l'appareil pantographique pour qu'il pût fournir, en même temps que la trajectoire de l'aile, l’indication des changements d’inclinaison qu’elle présente aux différentes phases du battement !.

L'appareil fut placé sur le dos d’une Buse vigoureuse et fami-

1. Pour faire comprendre la transmission et l'inscription des changements du plan de l’aile, considérons d'abord un appareil schématique (fig. 58) dont les organes sont réduits à une extrême simplicité.

La tige {t correspond au levier du pantographe explorateur placé sur le dos de la Buse. Cette tige peut exécuter autour d’un mouvement de Cardan c tous les mouvements possibles, sauf celui de torsion sur son axe. Si donc

Fig. 58. — Représentation schématique du levier pantographique transmettant les changements de position de l’aile et les changements d’inclinaison de sa surface.

nous implantons sur la tige t{' une autre tige l' qui lui soit perpendiculaire et si nous cherchons au moyen de mouvements de torsion à dévier cette tige l’ du plan où elle est située, le joint de Cardan résistera à cet effort.

Mais si, en arrière du joint de Cardan, la tige p, qui prolonge ff, peut pivoter Sur son axe, les mouvements de torsion de t{ se reproduiront en p;etsi une tige l, parallèle à l’, est implantée sur p, les changements de plan imprimés à l’ se répéteront fidèlement en L.

Imaginons enfin queles mouvements de {se transmettent à un style inscripteur par les moyens déjà connus, on aura ainsi la courbe des changements de plan de l'aile. Or, dans cette courbe, si les ordonnées positives expriment une rotation dans un sens à partir d’une situation définie du plan de l'aile, les ordonnées négatives exprimeront une rotation en sens contraire.

On comprendra, sans difficulté, la fonction des différentes pièces représentées fig. 59, avec la forme qu’on a dù leur donner dans la construction réelle.

tt est le levier du pantographe, À un arc métallique sur lequel passe un fil v, qui transmet à un tambour explorateur les mouvements de l'aile suivant la verticale. À est un autre fil qui transmet les mouvements de sens horizontal. C représente le joint de Cardan, et derrière celui-ci l'axe tt prolongé porte une poulie qui, suivant le sens de la torsion de l’axe, tourne à droite ou à gauche. Ce mouvement de rotation, suivant le sens où il s'opère,

liarisée depuis longtemps avec les expériences de ce genre. Du

premier coup, j'obtins le tracé complet représenté par la figure 60. Dans cette figure, la ligne pleine A P exprime les mouvements

de l'aile dans le sens antéro-postérieur; la ligne HB, formée de

traits, traduit les mouvements de haut en bas, enfin la ligne $,

tire dans deux directions opposées le fil rr, qui actionne un troisième tambour transmettant les mouvements de rotation de la tige.

Reste à expliquer le rôle de la pièce terminale à 3 branches bbb qui s'adapte au levier pantographique.

Cette pièce est formée de languettes articulées autour d’un centre commun, à la facon des lames d’un éventail; on l'applique sur la face supérieure de l'aile, et l’on coud chacune des lames avec les tuyaux des rémiges auxquelles elles s'appliquent solidement. Le plan de ce petit éventail éprouvera donc tous les changements d'inelinaison que présentera la surface de

Fig. 59. — Disposition réelle du levier pantographique explorateur des mouvements de l'aile et de ses changements de plan.

l'aile sur laquelle il est fixé. À son autre extrémité, le petit éventail est soudé à un tube dans lequel s’introduit la tige ft qui y glisse librement, de telle sorte que, pendant les ploiements et déploiements de l'aile, l'éventail qui accompagne la main de l'oiseau se meut le long de la tige tt, en s’éloignant ou s’approchant de l'articulation de l'épaule.

Mais si ces glissements du tube sur la tige sont nécessaires, il est d'autre part indispensable que la tige ne puisse pas tourner dans ce tube, sans quoi les changements de plan imprimés à l'éventail ne se transmettraient pas, par la tige, à la poulie située derrière le joint de Cardan. Pour obtenir cet effet, j'ai donné à la tige tt une forme cannelée, et au trou du tube de l'éventail une forme étoilée, de telle sorte que chacune des cannelures de la tige glisse dans une des branches de l'étoile. Cette disposition, qui permet librement les glissements du tube sur la tige, rend au contraire la rotation de ce tube impossible sans que la tige tourne ellemême et transmette les changements d'inclinaison de l'aile qui lui ont imprimé sa torsion.

INSCRIPTION DES EFFETS MÉCANIQUES DU COUP D’AILE. 119 ponctuée, correspond aux torsions de l’aile dans les deux sens opposés.

Le sens de rotation de l’aile est ainsi exprimé dans la courbe S:

Fig. 60. — Trois courbes recueillies simultanément sur une Buse et correspondant, l’une HB aux mouvements d'élévation et d'abaissement de l'aile, l’autre AP à ses mouvements d'avant en arrière, la troisième S à su torsion suivant son axe.

quand le bord postérieur de l'aile se soulève, la courbe s'élève ; quand ce bord s’abaisse, la courbe descend. Le zéro de la courbe S doit correspondre au moment où l’aile est horizontale.

$ 80. Figure représentant l'inclinaison de l'aile aux divers points de sa trajectoire. — J'ai construit, par les procédés géométriques indiqués au $ 75, la trajectoire de l’aile de la Buse :

puis, en déterminant les différentes inclinaisons de l'aile qui correspondent aux différentes ordonnées

Jositives ou négatives de

Fig. 61. — Trajectoire elliptique et changements de plan de l’aile d'une Buse.

la courbe S, j'ai tracé sur la trajectoire ces inclinaisons dans les positions que leur assignaient les relations de synchronisme existant entre les trois courbes.

On remarquera qu’à la fin de l’abaissement le plan de l'aile

change brusquement de direction et présente en avant la face qu'il tournait tout à l'heure en arrière. Il semble qu'on assiste à la détente élastique des rémiges qui avaient été bandées comme des ressorts par la résistance de l’air, pendant le coup d’abaissement".

L'expérience justifie donc la supposition des anatomistes qui, en constatant l’élasticité des rémiges, leur attribuaient le rôle de ressorts emmagasinant et restituant tour à tour une partie de l'effort des muscles.

J'ai montré ailleurs que si des muscles agissent d'une manière intermittente pour vaincre les résistances qui s’accroissent plus qu’en raison de la simple vitesse, 11 ÿY a avantage à prolonger

l’action de la force par l’élasticité d’un ressort*. Or, c’est précisément le cas des muscles de l’aile de l'oiseau : la résistance qu'ils rencontrent dans l'air et celle que leur présente linertie de la masse de l'oiseau, croissent toutes deux comme le carré de la vitesse. Tout ce qui prolonge la durée de l'effort des muscles de l'aile produira donc une économie de travail.

L'inscription mécanique des changements d'inclinaison de l'aile et de sa trajectoire a pour défaut principal d'exiger des expériences très laborieuses et la construction d'appareils très délicats * ; mais les résultats qu’elle a donnés sont d'autant plus

1. Certaines considérations et les résultats d'expériences ultérieures me portent à croire que l'orientation de cette figure est défectueuse et que le grand axe de l’ellipse devrait être relevé en avant par un mouvement tournant, de 35 degrés environ, imprimé à la figure.

Une autre remarque à faire au sujet de la figure 61, c’est que l’abaissement de l'aile y serait plus bref que la remontée. Ce fait, contraire à ce qui se passe d'ordinaire, est probablement dû à cette orientation défectueuse.

2. Marey, La circulation du sang, p. 163. Paris, G. Masson, 1881.

3. On a fait à l'inscription mécanique des mouvements de l'aile cette objection spécieuse, que l'oiseau attelé au manège et relié aux appareils explorateurs n'avait pas la liberté complète de ses mouvements, de sorte que les courbes inscrites ne seraient pas celles des mouvements du vol, mais exprimeraient des battements d'ailes incohérents.

Les personnes, aujourd'hui assez rares, qui ont été témoins de mes expériences n’ont pas admis ces objections, car elles ont vu avec quelle vivacité un Pigeon attelé entrainait le manège ; les actes qu’il exécutait ne différaient

ADECCO Er CR SE PRET Pt Re

INSCRIPTION DES EFFETS MÉCANIQUES DU COUP D'AILE. 42f

précieux qu'ils confirment et complètent à certains égards ceux que j'ai obtenus par d’autres méthodes plus faciles, basées sur l'emploi de la photographie instantanée.

S 81. Des réactions verticales que le coup d'aile imprime au corps de l'oiseau. — Jusqu'ici, nous n'avons considéré que des mouvements relatifs, comme ceux de l'aile par rapport à son point d'attache. |

Dans les appareils employés pour inscrire ces mouvements, les tambours explorateurs étaient dans une position fixe par rapport au corps de l'oiseau. Il s’agit maintenant d'inscrire des mouvements absolus dont l'étendue doit être mesurée dans l'espace. Pour obtenir ce résultat, la disposition des appareils explorateurs doit être entièrement modifiée.

La méthode que j'ai employée est basée sur les effets de linerlie d’une masse, c’est-à-dire sur la résistance que cette masse oppose aux forces qui tendent à lui imprimer une accélération.

Fig. 62. — Appareil explorateur des réactions verticales de l'oiseau.

Sur la membrane d’une capsule à air semblable à celle d’un tambour à levier on place (fig. 62) une petite masse de plomb. Si l'on imprime à la capsule de rapides mouvements vibratoires dans le sens vertical, la masse de plomb, qui est sollicitée à exécuter ces mouvements par l'intermédiaire de la membrane élastique du tambour, résistera par son inertie aux accéléra-

certainement pas du vol normal, autant du moins que l'observation permettait d'en juger. D'ailleurs, dans certains genres d'expériences, l'oiseau emportait avec lui les appareils explorateurs et volait sur un parcours de 15 mètres, à peu près avec autant d'aisance que lorsqu'il était libre.

tions imprimées à la capsule; ce sera au contraire la capsule qui se déplacera par rapport à la masse. Il en résulte des compressions et des raréfactions de l'air, changements de pression qui se transmettront, par le tube de communication, à un tambour inscripteur’.

Fig. 63. — Courbes des oscillations verticales de différents oiseaux pendant le vol. — Ligne 1, vibrations d’un diapason de 100, VD; 2, oscillations verticales du Canard; 3, du Buzard; 4, de la Chouette effraie ; 5, de la Buse.

On applique sur le dos d’un oiseau la capsule munie d'une masse (fig. 62), et reliée par un tube d’une longueur suffisante à un tambour inscripteur; on fait voler l'oiseau et l’on obtient une courbe dont les élévations et les abaissements correspondent,

en forme et en direction, aux accélérations verticales du vol*.

4. Pour avoir le plus de fidélité possible dans l'inscription de ces mouvements, il faut que les variations de la force élastique de la membrane soient très faibles par rapport à la masse sur laquelle elles agissent. Du reste, des expériences de contrôle doivent toujours être faites pour déterminer le degré de précision avec lequel se transmet et s'inscrit le mouvement qu’on étudie. (Mém. sur le vol des insectes et des oiseaux, loc. cit., p.245.)

2, Dans les expériences faites sur l'oiseau, il faut se mettre à l'abri d'une

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S 82. Caractères des réactions verticales dans les différentes espèces. — Les tracés obtenus diffèrent suivant l'espèce sur laquelle on opère. Les figures 64 et 65 montrent plusieurs types; le tracé d’un diapason de 100 vibrations doubles par seconde permettrait au besoin d'apprécier la durée de chaque oscillation et de ses phases".

S 83. Rapport des oscillations verticales avec les phases du battement de l'aile. — Pour savoir à quel instant de la révolution de l’aile correspond chacune des inflexions de la courbe des oscillations verticales du corps, il faut inscrire simultané-

Fig. 64. — Tracés simultanés des contractions des muscles pectoraux du Canard (courbe supérieure) et des oscillations verticales de l'oiseau (courbe inférieure).

ment l’action des muscles de l’aile et les mouvements du corps. La figure 64 montre un exemple de ce genre d'inscription obtenu sur un Canard. La figure 65 a été recueillie sur une Buse. On voit, sur ces figures, que deux oscillations verticales se produisent à chaque coup d’aile?.

cause d'erreur spéciale : les plumes des ailes frôlent parfois la membrane du tambour et produisent dans le tracé des vibrations accidentelles. On y remédie en couvrant l'appareil d’un grillage qui protège la membrane et la masse qui la recouvre contre tout contact extérieur (fig. 62). Quatre crochets permettent de relier solidement la capsule au corset.

4. Quant à l'amplitude des oscillations, il est difficile de l’apprécier exactement, car la masse résiste aux mouvements qui lui sont communiqués par la membrane, non en raison de l'amplitude, ni même de la vitesse de ces mouvements, mais en raison de l'intensité de l’uccélération qui lui est communiquée.

2. Des expériences antérieures ayant montré que, dans le vol du Canard, la courbe musculaire & correspond à l'élévation de l’aile, et la courbe b à l’abaissement. On voit, d'après la superposition des deux courbes, qu’une

Pour expliquer ces deux sortes d’inflexion de la courbe qui prouvent que l'oiseau s'élève quand il frappe Pair et qu'il s'élève

également quand son aile remonte, j'ai proposé la théorie

suivante :

Fig. 63. — Tracés simultanés des contractions des muscles pectoraux decla Buse et des oscillations verticales de l'oiseau.

L'ascension de l'oiseau qui abaisse son aile et prend un point d'appui sur l'air s'explique d'elle-même : elle ressemble de tous points à celle qui se produit chez les animaux terrestres, chaque fois qu'un de leurs membres prend son appui sur le sol; mais l'ascension de remontée m'a paru devoir s'expliquer tout autrement. L'oiseau qui a fini d'abaisser ses ailes présente obliquement le plan de ses rémiges contre le vent de sa vitesse, $ 19. S'il est animé d’une translation rapide, il se comportera, pendant cette phase du battement de son aile, comme un cerf-volant, et montera sur l’air par un mécanisme analogue à celui qui a été décrit $ 4 à propos de la ressource.

Si cette théorie est vraie, il s'ensuit nécessairement que les oscillations ascendantes ne doivent se produire que si l'oiseau est déjà animé d’une certaine vitesse de translation ; elles man-

queront au contraire pendant les premiers instants du vol. Cette

prévision est entièrement vérifiée par l'expérience.

oscillation verticale accompagne la remontée de l'aile et qu'une autre oscillation de même sens correspond à l’abaissement. Pour la Buse, deux oscillations s’observent aussi à chaque battement de l'aile; mais celle qui correspond à l'élévation a est beaucoup plus faible que celle qui se produit pendant l’abaissement b.

Une autre conséquence de la théorie que je propose, c’est que le soulèvement de l'oiseau qui coïncide avec la remontée de l'aile, s’effectuant aux dépens de la force vive dont il est animé, devra s'accompagner d’une diminution de la vitesse du vol. Ce fait est confirmé par les expériences qui vont être décrites.

S 84. Variations de la vitesse de l'oiseau aux différentes phases du battement de ses ailes. — Au lieu de placer la eapsule horizontalement sur le dos de l'oiseau, avec la masse tournée vers le haut, si nous orientons la membrane dans le plan vertical, avec la masse tournée en avant, l'appareil, au lieu d’obéir aux oscillations verticales de l'oiseau, traduira ses variations de vitesse horizontale. Avec la disposition qui vient d'être décrite, les accélérations positives se traduiront par une élévation, les ralentissements par une descente de la courbe.

L'expérience a montré que le vol des oiseaux n’est point uniforme ; il est au contraire saccadé, avec des accroissements de vitesse à chaque abaissement des ailes et des ralentissements à chaque remontée”.

S 85. Résumé des applications de la méthode graphique à

1. J'ai réussi à inscrire dans une même courbe les deux ordres d’oscillations que le corps de l'oiseau exécute à chaque coup d’aile : c’est-à-dire, d’une part les oscillations verticales dont on vient de voir les tracés, et d’autre part des oscillations horizontales, c’est-à-dire des accélérations et des ralentissements de la vitesse du vol. La méthode employée est la suivante :

Qu'on se reporte à la figure 49 et qu'on imagine une petite balle de plomb adaptée sur le levier explorateur très raccourci. L’inertie de cette masse fait que si l’on agite l'appareil tout entier dans un plan perpendiculaire à celui des deux tambours, le levier alourdi n’obéira pas librement à ce mouvement et, suivant les accélérations qui lui seront communiquées dans les deux sens, comprimera tour à tour les deux membranes auxquelles il est relié, de sorte que le levier terminal inscripteur répétera les variations de la vitesse imprimée aux tambours.

Après avoir constaté, par une expérience d'essai, que la transmission se fait d’une manière exacte, on applique sur le dos d’une forte Buse le pantographe à transmission muni d’une balle de plomb; le tracé recueilli pendant le vol est représenté fig. 66. On y voit que l'oiseau oscille deux fois dans le sens vertical pendant un battement des ailes, ce que nous savions déjà. Mais on voit aussi que, pendant ce coup d'’aile, il accélère sa transla-

l'analyse des phénomènes du vol. — Ces expériences, dont je n'ai donné ici qu'une idée très sommaire, ont été extrèmement laborieuses, mais les résultats qu'elles ont donnés sont importants; ils ont été plus tard entièrement confirmés par des méthodes différentes.

De ces applications de la méthode graphique à l'étude du vol on peut tirer comme conclusions les propositions suivantes :

1° Les oscillations verticales de l'aile varient dans chaque espèce d'oiseau ; l’abaissement dure plus longtemps que la descente, surtout chez les grandes espèces.

2° Les mouvements de l’aile d'avant en arrière sonten général plus étendus que les mouvements verticaux, principalement à la région du coude.

3° La trajectoire qui résulte de la composition des deux mouvements précités varie aux différents points de l'aile, à cause des flexions et extensions du coude et du carpe. Cette trajectoire est, pour l’humérus, voisine d’une ellipse dont le grand axe,

tion au moment où les ailes s'abaissent, qu'il la ralentit au contraire pendant que les ailes remontent.

On voit aussi que le ralentissement qui accompagne la relevée de l'aile ne prend d'importance qu'au moment où l'oiseau a acquis une certaine vitesse

Fig. 66. — Combinaison des réactions verticales et des variations de vitesses d’une Buse au moment de l'essor.

et qu'à ce moment aussi, l'oscillation verticale qui accompagne la remontée des ailes devient plus forte. Ces faits, qui ont été analysés ailleurs (La machine animale, p. 280) avec plus de détails, montrent bien que le soulévement du corps qui accompagne la remontée de l'aile se fait aux dépens de lx vitesse de l'oiseau.

légèrement incliné en bas et en avant, s'approche de l’horizontalité. Pour la région du carpe, cette courbe est presque circulaire dans le plein vol. Elle est d’une forme très compliquée à l'extrémité de l'aile, surtout au moment de l'essor.

4° La surface des rémiges s'incline sur la résistance de l’air pendant l’abaissement de l'aile. Cette inclinaison s'accompagne de la déformation des rémiges, dont la tige se redresse plus ou moins. À la fin de l’abaissement, les rémiges reprennent soudainement leur courbure à la façon d’un ressort qui reviendrait à sa forme. Cette action, qui rend à l’aile sa courbure normale, prolonge l’abaissement du bord postérieur de l’aile après que les muscles abaisseurs ont terminé leur action.

5° Les mouvements de l’aile s’accompagnent de réactions sur le corps de l'oiseau. Des réactions verticales de très faible amplitude s’observent dans certaines espèces (Canard) au moment de l’abaissement de l’aile et au moment de sa remontée. Chez les oiseaux à grandes ailes et à battements lents, les réactions sont forles pendant l’abaissement des ailes, presque nulles pendant leur remontée.

6° Des réactions analogues s’observent dans le sens horizontal : elles consistent en accélérations et ralentissements de la progression de l’oiseau. Ces réactions se combinent entre elles de la manière suivante :

L’abaissement de l'aile soulève et en même temps propulse le corps de l'oiseau.

L'élévation de l'aile, lorsqu'elle produit le soulèvement ou seulement la suspension de l'oiseau, s'accompagne d'une perte correspondante de vitesse. Dès lors, on est en droit d'admettre que cette élévation se fait aux dépens de la vitesse de l'oiseau, qui se soutient en présentant ses ailes contre l’air, à la manière d'un cerf-volant, et par un mécanisme analogue à celui qui produit la ressource des oiseaux de proie.