Le Biomimétisme
LA GIRAFE: LE REMÈDE AU PHÉNOMÈNE DES G
Introduction :
Avec l'aide de la technologie, l'Homme est maintenant capable de propulser son corps dans l'air à des vitesses faramineuses et avec une grande agilité. Mais tout ceci est limité par un problème critique : La gravité. En effet l'organisme de l'Homme n'est pas capable de résister aux accélérations brutales et aux virages serrés de l'appareil. Lors de ces manœuvres le pilote est littéralement écrasé sur son siège par une force pouvant atteindre les 10G. C'est à dire que ce dernier pèse environ 10 fois son poids initial.
Avion de chasse français : "le rafale"
Présentation des G :
Le G est une unité d'accélération correspondant à l'accélération de la pesanteur à la surface de la Terre. Sa valeur conventionnelle est de 9,80665 m·s-2 (soit 1G). Ceci permet donc de connaître l'accélération subite d'un objet en déplacement. Ces G se font ressentir en aéronautique dans trois situations principales : lors d'un looping, d'un virage ou d'une accélération brutale. En aéronautique, on considère trois types de G : les G positifs (lors d'un virage ou d'un looping où le pilote est situé à l'intérieur de son axe de rotation), les G négatifs (le pilote est situé à l'extérieur de son axe de rotation) et les G obliques (lors d'une accélération brutale et linéaire).
Calcul des G obliques :
L'accélération des G obliques équivaut à la différence de vitesse produite par un objet en mouvement dans un lapse de temps défini. L'expression ci-dessous nous permet de calculer concrètement cette accélération.
a = (V2-V1)/t
où a est l'acélération en m/s²
V1 la vitesse initiale en m/s
V2 la vitesse finale en m/s
et t la durée du phénomène en s
Prenons comme exemple un avion de chasse, lors de son décollage, passant de 0 km/h à 230 km/h, (0 m/s à 60 m/s) en à peine 10s.
V1 = 0 m/s
V2 = 60 m/s
t = 10s
donc : a = (60-0)/10 soit a = 6 m/s²
Pour convertir l'accélération a en G (1G), nous n'avons plus qu'à diviser a par G.
donc : 6/9.81 soit 0.6 G
Calcul des G lors d'une rotation :
L'accélération des g lors d'un virage ou d'un looping équivaut au carré de la vitesse de l'avion divisé par le rayon du cercle de la rotation.
Soit : a = v²/r
où a l'accélération en m/s², v la vitesse en m/s et r le rayon de la rotation en m.
Prenons cette fois-ci l'exemple d'un avion effectuant un virage de 1000m avec une vitesse constante de 257 m/s.
v = 257 m/s
r = 1000 m
donc : a = 257²/1000 soit a = 66 m/s² soit 66/9.81 = 6.73 G
Les G, une influence sur le poids :
L'accélération a également une influence sur le poids d'un objet. Ce dernier équivaut au produit de la masse par le nombre de G.
Poids de l'objet = masse de l'objet*nombre de G
Effets des G sur l'organisme:
Si cette force est trop importante, Il y peut avoir des effets dévastateurs sur l'organisme du pilote. Les organes internes peuvent se déplacer de quelques centimètres. La respiration s'y fait plus difficilement ainsi que l'irrigation sanguine au niveau du cerveau ( le sang quitte la zone du cerveau pour s'accumuler dans le bas du corps). Cette carence de sang peut donc provoquer un voile noir, c'est à dire une perte de connaissance (à partir de 5G chez l'Homme). Pendant un vol ce phénomène peut s'avérer très dramatique. Ce voile noir est précédé d'un voile gris, ce qui correspond à une perte des notions de couleurs puis une perte de la vision.
Effets des g lors d'un vol (première photo) et dans une centrifugeuse (deuxième photo)
La combinaison anti-G inspirée de la girafe :
Il était donc primordial de remédier à ce problème. Des scientifiques se sont inspirés du cas de la girafe afin de concevoir une combinaison permettant de ralentir les effets de ce phénomène.​
En effet la girafe est un bon exemple car celle-ci dispose d'un organisme qui échappe à ce problème.
Quand une girafe penche sa tête pour boire, son cerveau se situe environ deux mètres en contrebas du cœur. Et normalement, les vaisseaux sanguins du cerveau devraient éclater par une forte pression exercée par l'afflux de sang dans cette région. Heureusement, les artères de la girafe au niveau du cou possèdent des dérivations diminuant alors la pression au cerveau. Cependant, il n'y a plus assez de pression pour que le sang remonte vers le cœur. C'est pourquoi les artères des girafes au niveau du cou sont dotés de valves, de clapets anti-retour. Le sang après être passé dans le cerveau remonte, passe une valve et ne peut plus redescendre au cerveau car les clapets se sont rétractés. En gros le sang remonte jusqu'au cœur par palier. Pour passer un autre palier il faut une autre giclée de sang qui lui permettra de se déplacer. Et ainsi de suite jusqu'au cœur.
Dérivation sanguine
Clapet anti-retour
La combinaison anti-G :
Deux schémas du fonctionnement de la circulation sanguine de la girafe, au niveau du cou
Sens de circulation du sang
Grâce à ce mécanisme les scientifiques ont pû concevoir la combinaison anti-G. Celle-ci fonctionne par air comprimé: elle est constituée de poches qui se gonflent à une certaine accélération afin de comprimer les vaisseaux sanguins et éviter le voile noir. La combinaison ne comprime que les membres inférieurs du corps, ainsi que le bassin pour ne pas que le sang ne déserte trop rapidement le cerveau.
L'air comprimé qui gonfle les poches de la combinaison provient soit du compresseur moteur soit du circuit d'oxygène qui alimente aussi le pilote.
Air
Photo d'une combinaison anti-G
Schéma du système de gonflement des poches d'une combinaison anti-G par air comprimée
« En quoi la Nature est-elle un modèle pour l'innovation technologique dans les domaines de la Santé et de la Sécurité ? »
Le problème de la gravité dans le domaine de l'aéronautique est une contrainte qui limite l'Homme dans sa quête pour voler librement sans aucun risque. Cependant ce dernier a sû observer la nature pour résoudre, ou du moins limiter les effets de ce phénomène par la conception de la combinaison anti-G, inspirée de la girafe. Ce mammifère a donc aidé l'Homme à se developper dans les airs, lui permettant de fabriquer et d'utiliser des appareils beaucoup plus puissants et mobiles.