Comment les dinosaures et leurs cousins les ptérosaures ont-ils pris leur envol ? La modélisation basée sur la physique aide à résoudre ces mystères du mouvement, comme le rapporte Matthew R Francis.
Les scientifiques ont pu répondre à la plus grande question scientifique posée par Jurassic Park dans l'une de ses scènes de poursuite les plus tendues : un Tyrannosaurus rex peut-il dépasser une Jeep ? (Réponse : non.)
Il est essentiel de connaître la vitesse maximale d'un prédateur suprême, car elle nous renseigne sur les types de proies qu'il pourrait attraper.
Une autre question est de savoir comment les ptérosaures (cousins des dinosaures) ont pu évoluer pour devenir les plus grands animaux volants.
Répondre à toutes ces questions implique de comprendre quelles forces et quels couples le squelette de ces créatures pouvait supporter.
Cela implique également d'estimer la force de leurs muscles et la masse de leur chair. Si certains os, et des fragments de muscles, ont survécu aux 65 derniers millions d'années, la chair n'a malheureusement pas été préservée.
Cela signifie que si ces questions relèvent de la paléontologie, il faut y répondre à l'aide de la physique, de diagrammes de force et de simulations multi-corps.
De nombreux paléontologues étudient également les animaux vivants, car les os et les muscles ont de nombreuses caractéristiques communes à travers le règne animal.
Les oiseaux sont même techniquement des dinosaures, descendant d'un sous-ordre appelé Therapoda .
Mais l'analogie ne peut aller que jusque-là. "Ce que nous avons d’un dinosaure est un croisement entre un mammifère, un oiseau et un crocodile et un varan", explique Heinrich Mallison du Museum für Naturkunde à Berlin.
Bien qu'il soit tentant d'utiliser des animaux modernes comme substituts, "il n'existe aucun animal existant qui soit un modèle parfait".
Le biomécanicien évolutionniste John Hutchinson, du Royal Veterinary College de l'Université de Londres, est d'accord. "Je préfère modéliser un T. rex comme un T. rex. C'est l'avantage des modèles informatiques : vous pouvez modéliser la physique de cet animal avec sa propre anatomie."
Tout sur la masse
Prenons l'autruche, le plus grand dinosaure vivant.
Ses os creux sont reliés à ses poumons par des sacs aériens, ce qui lui permet de respirer et de garder un squelette léger par rapport à un mammifère de la même taille.
Beaucoup de leurs cousins dinosaures éteints avaient également des os creux et des sacs aériens, ce qui les aidait à devenir énormes.
Mais quelle était la masse des dinosaures lorsqu'ils étaient vivants, et comment cette masse était-elle répartie dans le corps ?
Hutchinson explique qu'il faut faire attention à ne pas faire d'analogies avec les animaux d'aujourd'hui, car la masse corporelle détermine en grande partie les capacités biologiques d'un animal.
"Les autruches (dont la masse est d'environ 100 kg) sont plusieurs fois plus petites qu'un T. rex", explique-t-il. "Si vous regardez un dinosaure de 100 kg et que vous le comparez à un animal vivant de 100 kg, cependant, c'est probablement correct".
En utilisant les données d'animaux vivants, les paléontologues peuvent estimer quelle masse se trouvait dans chaque partie du corps d'un dinosaure ou d'un ptérosaure.
Ils peuvent ensuite construire un modèle pour déterminer l'emplacement de son centre de masse, les forces et les couples impliqués lorsque l'animal faisait un pas, et les contraintes sur les os des ailes des reptiles volants.
Cependant, comme les muscles ne sont jamais suffisamment conservés pour permettre de reconstituer l'animal entier, les estimations du poids des dinosaures varient souvent d'un facteur deux ou plus.
L'estimation de la quantité de muscles et de la répartition des sacs aériens des dinosaures dépend de nombreuses hypothèses.
Par exemple, un T. rex adulte aurait pu peser 5 tonnes, 11 tonnes ou tout autre poids intermédiaire.
Étant donné que les animaux plus gros se déplacent plus lentement que les animaux sveltes présentés dans Jurassic Park, par exemple, les hypothèses retenues pour les modèles physiques influent fortement sur les résultats.
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Comment le T Rex court ?
On pense que le tyrannosaure pouvait se déplacer à une vitesse de 25 à 40 km/h.
Nous savons que le T. rex se tenait et courait sur deux jambes, en tenant son corps presque à l'horizontale.
Pour équilibrer son énorme tête et ancrer les muscles de ses jambes, il avait une énorme queue.
Cela signifie qu'il devait supporter tout son poids en équilibre sur une seule jambe à chaque pas lorsqu'il marchait ou courait.
Pour modéliser la mécanique d'un T. rex en train de courir, Hutchinson et ses collègues ont examiné l'animal figé en position intermédiaire, le corps reposant sur une seule jambe.
Ils n'ont considéré que les forces verticales, puisque les forces horizontales sur la jambe s'équilibrent presque.
En utilisant la première loi de Newton, ils ont calculé la masse musculaire minimale requise dans les deux jambes en pourcentage de la masse corporelle totale : 43%.
"Nous avons dû estimer les bras de moment des différents groupes musculaires agissant contre la gravité autour de chaque articulation du membre", explique Hutchinson .
La force de réaction au sol exercée sur l'animal pendant la course est plus élevée que le poids de l'animal à l'arrêt.
Hutchinson explique : "Lorsqu'un humain court, il exerce une force verticale équivalente à deux fois et demie son poids corporel, voire plus, pour 24 km/h.
Un très bon coureur devra peut-être soutenir quatre ou cinq fois son poids corporel pour atteindre une vitesse encore plus élevée".
" En d'autres termes, plus un T. rex courait vite, plus chacune de ses jambes devait supporter une charge importante, ce qui limitait sa vitesse maximale.
"Qu'il s'agisse d'un poisson, d'une salamandre, d'une autruche ou d'un éléphant, la force que l'on peut tirer des muscles qui agissent pour résister à la gravité est assez constante", explique Hutchinson.
"Vous obtenez environ 300 kN par mètre carré, dans le meilleur des cas, lorsqu'un muscle se contracte de manière isométrique, sans s'allonger ni se raccourcir."
Étant donné que les muscles se contractent pendant la course, l'estimation de 300 kN est généreuse et constitue une limite supérieure à la force que pourrait déployer un T. rex.
Hutchinson et ses collègues ont découvert que - sur la base de leurs hypothèses, comme le fait de considérer les forces horizontales comme négligeables - le T. rex pouvait atteindre une vitesse maximale d'environ 40 km/h.
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Comment les ptérosaures volent ?
Les ptérosaures se lançaient en vol en utilisant leurs membres antérieurs dans une position quadrupède.
Le vol est un autre défi pour les paléontologues. Les dinosaures volants - c'est-à-dire les oiseaux - peuvent être compris grâce à de nombreux exemples vivants.
Les ptérosaures ne ressemblent pas vraiment à des oiseaux ou à des chauves-souris, ce qui signifie que les analogies directes avec des animaux existants sont d'une utilité limitée pour les chercheurs qui tentent de déduire comment ces animaux ont réussi à décoller et à maintenir leur vol.
"Les ptérosaures ont une aile musclée recouverte de peau, tendue entre leur quatrième doigt géant et leur corps", explique M. Habib, du Musée d'histoire naturelle du comté de Los Angeles. "Ce type d'aile peut générer un coefficient de portance très élevé."
Le coefficient de portance est une fonction de la taille de l'aile et de la vitesse de vol, que nous ne connaissons pas précisément.
Cependant, selon Habib, "les astuces aérodynamiques de base nécessaires pour rester en l'air ne sont pas si différentes de celles de tout autre animal".
En d'autres termes, une aile est une aile jusqu'à un certain point, qu'il s'agisse d'un oiseau ou d'un deltaplane.
"Un coefficient de portance élevé leur permet de supporter leur poids même à faible vitesse pour un gros animal volant.”, explique M. Habib.
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Questions souvent posées par les lecteurs
Les dinosaures marchaient-ils sur la pointe des pieds ?
Un dinosaure de 24 tonnes semble s'être tenu sur la pointe des pieds. Une analyse de fossiles révèle comment sa structure osseuse signifiait qu'il n'aurait pas pu aplatir ses pieds sur le sol et qu'il aurait pu se tenir debout sur ses orteils avec des coussinets charnus pour l'équilibre.
Comment marchaient les dinosaures à 4 pattes ?
La théorie suggère que les premiers dinosaures ont cessé de se déplacer à quatre pattes et se sont levés uniquement sur leurs deux pattes arrière, grâce à leurs grandes queues musclées . Cette masse musculaire fournissait la force et la puissance nécessaires aux premiers dinosaures pour se tenir debout et se déplacer avec leurs deux pattes arrière.
Comment le T. rex a-t-il marché ?
En marchant, le T. rex aurait eu la queue suspendue en l'air . Dans cette position connue sous le nom de "suspension passive", la queue du dinosaure aurait activement rebondi verticalement à chaque pas.
Les dinosaures dormaient-ils debout ?
Mais il semble probable que les dinosaures à quatre pattes dormaient probablement debout pour leur permettre de réagir plus rapidement aux prédateurs . Les dinosaures à deux pattes comme le T-Rex se sont presque certainement couchés.
Est-ce que tous les dinosaures carnivores marchaient sur deux pattes ?
Certains dinosaures marchaient sur deux pattes, d'autres sur quatre. Tous les dinosaures à quatre pattes étaient des herbivores. Tous les carnivores étaient bipèdes, même si certains herbivores étaient également bipèdes.
T Rex avait-il un troisième doigt ?
Le T. rex n'avait également que deux doigts sur ses mains, plutôt que les trois que l'on voit chez la plupart des autres dinosaures carnivores, de sorte que ses bras et ses mains semblent vraiment avoir été moins importants qu'ils ne l'étaient chez ses proches.
Est-ce que tous les dinosaures marchaient sur quatre pattes ?
Les scientifiques ont découvert qu'une des premières espèces de dinosaures, Mussaurus patagonicus, ne pouvait se déplacer que sur quatre membres une fois nés, mais passait à deux jambes en grandissant, tout comme les humains.
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