Pulse and Glide chez les oiseaux

La technique du "Pulse and Glide" peut sembler surprenante par son alternance périodique de phases d'impulsion et de phases de repos, mais cela représente souvent un avantage énergétique. Le "Pulse and Glide" est utilisé dans les voitures hybrides et peut s'adapter par la conduite au point mort dans certaines situtations bien anticipées. Voici quelques exemples de "Pulse and Glide" :

Pulse and Glide : vol intermittent des oiseaux

On observe trois modes de vol intermittent chez les oiseaux (Rayner 1977, 1985; Ward Smith 1984)

Variation de fréquence (chattering flight)

Le rythme du battement des ailes varie périodiquement entre une fréquence rapide (prise de vitesse) et une fréquence plus lente. Cela rappelle la modulation de fréquence (FM) en électronique. La trajectoire de l'oiseau est rectiligne. On trouve ce vol chez la pie (European Magpie Pica Pica).

Vol bondissant (flap-bounding, bounding flight)

Le vol bondissant des oiseaux consiste en une alternance périodique de phase de vol battu (augmentation de l'énergie mécanique) et une phase de repos où l'oiseau, tel un obus, les ailes repliées contre le corps, suit une trajectoire balistique. On remarque que l'augmentation d'énergie mécanique ne coïncide pas avec la montée en altitude ! On trouve ce vol chez les oiseaux de moins de 250 grammes.

Vol ondulé (flap-gliding, undulating flight)

Le vol ondulé est beaucoup plus courant chez les oiseaux. Dans ce vol, la phase de trajectoire balistique est remplacée par une phase de vol plané, ailes étendues. Ce vol existe chez les oiseaux de taille intermédiaire avec des ailes relativement longues. L'étourneau (Sturnus Vulgaris) est un exemple de choix. Dans un vol ondulé où le vol plané occupe 50% du temps, l'étourneau économise environ 10% d'énergie par rapport au vol battu continu.

Ici, au contraire, la phase d'augmentation d'énergie mécanique coïncide avec la prise d'altitude (énergie potentielle).

Comparaison avec le "Pulse and Glide"

Le vol ondulé ressemble au "Pulse and Glide" par son alternance périodique impulsion-repos. Lors de l'impulsion, l'énergie mécanique augmente et l'oiseau (ou le moteur de la voiture) développe une puissance supérieure à la puissance moyenne nécessaire : il y a gain de vitesse (et/ou de hauteur pour l'oiseau). Cette puissance est développée avec un bon rendement. Lors de la phase de repos (ou moteur débrayé pour la voiture), l'énergie cinétique est dissipée par les frottements. Ce qui compte, c'est la puissance moyenne sur un cycle.

Avantage énergétique : gain de consommation d'énergie

Le vol ondulé chez les oiseaux semble être un choix avantageux. L'optimisation du vol repose sur l'énergie totale que l'oiseau dépense, y compris l'énergie dissipée en chaleur. C'est l'énergie dépensée qui doit être minimisée, pas le travail mécanique fourni.

De même, dans le "Pulse and Glide", la vitesse varie périodiquement autour d'une moyenne. Etant donné la non linéarité des frottement aérodynamiques, osciller entre 90km/h et 110km/h demande une puissance mécanique moyenne supérieure à celle qu'il faudrait pour rouler à 100km/h stationnaires. Et pourtant, la consommation moyenne de carburant pourra être plus faible à cause du meilleur rendement du moteur lors de la phase d'accélération.

Autres exemples en technique

• Déplacement en trotinette

Une phase d'impulsion est suivie d'une phase de repos (roue libre) jusqu'à la phase d'impulsion suivante...

• Chauffage électrique

Pour maintenir une température ambiante de consigne, un chauffage électrique fonctionne selon une alternance de chauffage (augmentation de la température jusqu'à un seuil haut) et de repos (diminution progressive jusqu'à un seuil bas). La différence des deux seuils (hystérésis) définit la période de l'alternance en fonction de l'inertie thermique de la

pièce, des fuites de chaleur et de la puissance de chauffage.

De même que pour le "Pulse and Glide", ce fonctionnement intermittent du chauffage n'est intéressant que si la puissance moyenne nécessaire est inférieure à la puissance du chauffage.

• Alimentations à découpage

En électronique, on cherche souvent à optimiser le rendement des alimentations. Pour abaisser une tension, par exemple, un régulateur linéaire dissipe la chute de tension à ses bornes. En revanche, les alimentations à découpage abaissent la tension avec une alternance de tension maximale et de coupure (tout ou rien). Un lissage de la tension est ensuite réalisé par des composants non dissipatifs (L,C).

Conclusion

Le "Pulse and Glide" est avantageux lorsque la puissance qui correspond au meilleur rendement est supérieure à la puissance moyenne nécessaire. On bénéficie ainsi du meilleur rendement du moteur lors de la phase d'impulsion. Lors de cette phase, l'énergie mécanique augmente en étant stockée sous forme de vitesse. Lors de la phase de repos, ce surplus d'énergie est dissipé par les frottements.