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Pourquoi les oiseaux ignorent lz loi dde Newton : une nouvelle théorie pourrait affiner les modèles de groupes, de foules et de cellules

Par Katja Lesser, Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster

Édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan

Notes de la rédaction

Newton revisité : des physiciens de Dresde repoussent les limites du principe d'action-réaction. Crédit : Kilian Neddermeyer

Oiseaux en groupes, bactéries et cellules : dans de nombreux systèmes collectifs, les éléments individuels ne réagissent qu'à une partie de leur environnement, semblant ainsi contredire la troisième loi du mouvement de Newton – l'action égale la réaction. Ces exceptions sont connues sous le nom d'interactions non réciproques. Une équipe de physiciens de Dresde, en collaboration avec Roderich Moessner, membre fondateur du pôle d'excellence Würzburg-Dresde ctd.qmat, a développé une théorie permettant de décrire efficacement ces interactions et de les simuler avec une précision accrue.

Cette découverte pourrait aider les chercheurs à étudier le mouvement des essaims et des volées, ainsi que les processus biologiques, avec une bien plus grande finesse. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Physics.

Newton et les champs de vision

Les oiseaux possèdent un large champ de vision. Pourtant, lorsqu'ils volent en groupe, ils s'orientent uniquement vers les oiseaux situés devant ou à leurs côtés. Puisqu'un oiseau ne s'aligne jamais avec celui qui se trouve derrière lui, le groupe semble contredire la troisième loi de Newton – le principe d'action et de réaction, souvent résumé par la formule : « À toute action correspond une réaction égale et opposée.»

Lorsque nous courons, par exemple, nos pieds exercent une force de poussée sur le sol, et le sol exerce une force de réaction égale et opposée. Le même principe est à l'œuvre lorsque nous conduisons une voiture, sautons, ramons ou dégonflons un ballon : lorsque l'air est expulsé vers l'arrière, le ballon avance.

La vie quotidienne est jalonnée de mouvements obéissant à la troisième loi de Newton, vieille de plus de 300 ans et pierre angulaire de la mécanique classique. « Tout ce que nous enseignons habituellement à nos étudiants en mécanique théorique repose en fin de compte sur le principe d'action-réaction », explique Marín Bukov, responsable du groupe de recherche.

En revanche, les volées d'oiseaux, les bancs de poissons, les essaims de bactéries, les foules et les cellules tissulaires ne suivent pas la troisième loi de Newton, car les composants de ces systèmes ne réagissent qu'à une partie de leur environnement. L'interaction est donc unidirectionnelle, ce qui signifie que la relation « action égale réaction » ne s'applique plus. Ces exceptions sont appelées interactions non réciproques. Jusqu'à présent, elles ne pouvaient être pleinement décrites par les théories classiques développées pour les interactions réciproques, et ces systèmes ne pouvaient donc pas être simulés efficacement.

Une simulation efficace est pourtant essentielle pour étudier les processus du corps humain ou le mouvement des volées et des essaims. Cette lacune est désormais comblée grâce aux travaux d'une équipe de physiciens de Dresde, en collaboration avec Moessner. Ce dernier est chercheur principal du pôle d'excellence Würzburg-Dresden ctd.qmat (Complexité, topologie et dynamique de la matière quantique) et directeur de l'Institut Max Planck de physique des systèmes complexes à Dresde.

Newton revisité : des physiciens de Dresde trouvent une solution élégante

« L'équipe de recherche a développé et validé une théorie qui rend une grande partie de ce que nous enseignons à nos étudiants applicable aux systèmes non réciproques. Ces systèmes, pour lesquels la troisième loi de Newton ne s'applique pas, peuvent désormais être décrits et simulés avec exactitude, même à l'aide de méthodes établies. C'est précisément le type d'outil qui nous manquait ces dernières années », explique Bukov.

Pour y parvenir, l'équipe de physiciens a étendu le cadre action-réaction initial. Pour décrire des systèmes non réciproques à l'aide des outils développés pour les systèmes réciproques, il suffit d'ajouter des variables artificielles. Voici comment cela fonctionne : les physiciens théoriciens modélisent généralement la nature par des équations. Chaque variable décrit un degré de liberté existant réellement, comme la position ou la vitesse d'un oiseau, la position d'un poisson dans un banc ou la position d'une voiture dans la circulation.

« L'astuce de cette nouvelle théorie réside dans la construction d'un partenaire pour chaque composante du système : un partenaire fictif qui n'existe pas dans la nature. Les interactions non réciproques initiales sont remplacées par des interactions réciproques grâce à ces degrés de liberté auxiliaires », explique Ricard Alert, biophysicien et collègue de Bukov.

Qu'est-ce que cela signifie pour un groupe d'oiseaux ? « Pour simuler précisément les mouvements des oiseaux, nous décrivons le système dynamique de la « volée d'oiseaux » à l'aide de méthodes éprouvées, comme s'il s'agissait d'un système réciproque, alors qu'il ne l'est pas. La solution élégante consiste à placer artificiellement un oiseau fictif devant chaque oiseau réel, aligné exactement dans la direction opposée », explique Alert.

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Courriel : Mise en contexte des résultats

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RESUME

Les oiseaux ignorent la loi  de Newton : une nouvelle théorie pourrait affiner les modèles de groupes, de foules et de cellules

Un cadre théorique généralisé transforme les interactions non réciproques au sein de la matière active (groupes, foules, cellules, etc.) en interactions réciproques grâce à l’introduction de degrés de liberté auxiliaires. Cette reformulation permet une description exacte et des simulations efficaces et de haute précision de systèmes à N corps non réciproques à l’aide de méthodes standard, améliorant ainsi la modélisation quantitative des mouvements collectifs et des processus biologiques associés.

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COMMENTAIRES 

Je ne suis pas bio physiciens mais trouve l article interessant mais incomplet!

Un aspect historique   me semble necessaire!Lamarck et Darwin qont les premiers  a avoir traité  l 'évolution  des especes animales  et montré que les premiers  animaux volants  n  étaient pas necessirement des oiseaux ! Ces derniers  ne sont pas les seuls  a avoir ignoré la loi de  Newton ;les insectes aussi ! Pensez  aux libelules géants de l ère carbonifere  !

Un de mes élèves a posé la question : quel est l oiseau le plus lourd capable de voler   actuellement  ????uel oiseau peut voler avec le poids le plus lourd ?

L'oiseau le plus lourd capable de voler est l' outarde kori (Ardeotis kori) . Ces oiseaux d'Afrique australe peuvent peser jusqu'à 19 kilogrammes et avoir une envergure allant jusqu'à 2,75 mètres !!!!