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<li class="menu-0">TPE : La communication chez les éléphants grâce aux ondes par Romain, Guillaume, et Amaury<p id="oklm">Lycée Hoche </br>Année 2018-2019</p>
</li>
</div>
<h1>II- ONDES SISMIQUES CHEZ L’ÉLÉPHANT </h1></br>
<div id="container">
<h2>A - Définition d’une onde sismique</h2>
<p>Les ondes sismiques correspondent aux ondes élastiques (une onde élastique correspond à la propagation de la déformation locale d'un milieu qui s'appuie sur la matière) qui se propagent à la surface et à l'intérieur de notre planète à la suite d'un séisme.</br>
Elles apparaissent lorsqu'une impulsion de départ met en mouvement des particules, qui vont à leur tour faire bouger la matière à leur contact avant de revenir à leur place initiale (mouvement longitudinale comme l’onde sonore). Le phénomène engendré peut alors se propager sur des dizaines, des centaines, voire des milliers de kilomètres.
Les différents types d’ondes sismiques :</p>
<p>Il existe 2 principaux types d'ondes sismiques : de surface ou de volume. </p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.05.29 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="400px"
/> <figcaption></figcaption></figure></p>
<p>D’une part, celles de surface se propagent, comme leur nom l'indique, à la surface de la Terre, un peu comme les rides formées à la surface d'une pièce d'eau qui vient d'être frappée par un caillou. </br>
D’autre part, les ondes de volume se propagent à l'intérieur même de notre planète, à une vitesse qui est liée à la nature du milieu traversé.</p>
<h3>Deux types d'ondes se distinguent parmi les ondes de volume </h3>
<p>Les ondes P (pour primaires) sont dites de compression ou longitudinales, ce sont les ondes les plus rapides, elle se propagent par la contraction puis la dilatation du matériau par laquelle elles se propagent. Elles ne se déplacent qu’à travers des corps solides et liquides et le substrat se déplace dans le même sens que les ondes, dans le sens longitudinal.</p>
<p>Les ondes S (pour secondaires) sont dites de cisaillement ou transversales, car le substrat se déplace perpendiculairement à la direction de l'onde lorsque celle-ci le traverse. C'est une perturbation perpendiculaire à la propagation. Par ailleurs, elles ne se propagent pas dans les milieux liquides, ce qui signifie qu'elles disparaissent en pénétrant dans le noyau terrestre externe. Cette qualification de « secondaire » vient du fait qu'elles apparaissent après les ondes P sur les sismogrammes.</p>
<p>Il existe des propriétés physiques des signaux sismiques qui, s’ils étaient détectés seuls ou en combinaison avec des signaux acoustiques, pourraient améliorer la capacité de l’éléphant à interpréter les signaux.</p>
<p>Nous venons donc de voir que les ondes sismiques peuvent être produites par contact physique avec le sol. </br>Les éléphants produisent des ondes sismiques afin de prévenir d’un danger, lorsqu’ils quittent un point d’eau, ou chez l’éléphanteau pour « appeler » sa mère. </br>Mais alors comment les éléphants ont la capacité de les recevoir ? </p>
<h4>Émission</h4>
<h2>B - Comment produisent-ils ces ondes sismiques ?</h2>
<p>Les signaux sismiques sont générés par percussion sur le substrat terrestre ou par des ondes acoustiques qui se couplent avec la terre.
Dans ce deuxième cas, l'énergie du signal de vibration dépend principalement de la taille et de la puissance musculaire disponible du producteur du signal, ici l’éléphant. Les percussions peuvent produire des signaux sismiques à courte et à longue distance.</p>
<p>Par exemple, la percussion provoquée par le saut d’un homme de 75 kilos a été enregistré à 1 kilomètre et les vibrations causées par les pas d’un éléphant de 3 tonnes peuvent parcourir plus de 36 kilomètres sous terre !</p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.20.41 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption>Résultat du sismographe lors d'un test sismique entre homme et éléphant </figcaption></figure></p>
<h3>Il y a 2 façons de produire des ondes sismiques </h3>
<p>Les éléphants peuvent produire des ondes de substract par la percussion directe de la Terre ou avec l’aide des infrasons, ils les couplent, en fait, au sol. La percussion directe de la Terre peut cependant donner un signal bien plus puissant qu'une vocalisation aérienne couplée au sol.</p>
<p>Cependant, la puissance qu'un animal peut coupler dans le sol à basse fréquence est directement liée à sa masse. Les animaux de faible masse ne peuvent pas générer d'ondes de surface sismiques de basse fréquence ; ainsi, le rat-taupe ne pourrait pas produire de signal sismique à 10–20 Hz comme l’éléphant.</p>
<p>On vient donc de voir que les ondes sismiques ne sont pas seulement produites par contact physique avec le sol, mais aussi grâce à l'accouplement des infrasons et du substract. </br>Mais comment les éléphants ont la capacité de les recevoir ?</p>
<h4>Réception</h4>
<h2>C - Comment reçoivent-ils ces ondes :</h2>
<p>On sait maintenant que les éléphants émettent des ondes sismiques pour communiquer entre eux via le sol par l’entremise de leurs pattes avant ou des infrasons qu'ils créent.</p>
<p>Mais comment les reçoivent-ils ?</p>
<p>Les ondes sismiques provoquées par les éléphants engendrent des vibrations pouvant se propager très loin dans la terre car celle-ci est plus dense que l’air.</p>
<h2>D - Quelles parties du corps de l’éléphant ?</h2>
<p>Pour capter ces ondes les pachydermes possèdent sur la plante de leurs pieds des boules de graisses qui servent à faciliter la détection des signaux sismiques et à améliorer la qualité de ces signaux : ce serait une sorte de lentille à vibrations sismiques, un dispositif permettant d’améliorer la sensibilité des éléphants pour capter le plus de signaux possibles</p>
<p><a href="ondes_sismiques.html"> TP simulation ce la réception des ondes sismiques</a></p>
<h2>E - Pourquoi les ondes sismiques sont mieux captées avec les boules de graisse situées dans les pattes des éléphants ?</h2>
<p> Nous allons voir comment les éléphants font pour faciliter la détection sismique à travers leurs pattes dans la partie suivante.</p>
<h3>Il y a 2 voies de détection possibles </h3>
<p>Les éléphants ont 2 voies possibles pour l'interprétation des signaux sismiques, soit par conduction osseuse, soit par des mécano-récepteurs sensibles aux vibrations, ou encore les 2 à la fois.</p>
<h3>Mécano-récepteurs</h3>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.08.46 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="350px"
/> <figcaption>Schéma de la patte d'éléphant avec sa graisse (fatty cushion)</figcaption></figure></p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.06.37 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="500px"
/> <figcaption>2ème schéma de l'anatomie de la patte de l'éléphant</figcaption></figure></p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.06.57 PM.jpg"
alt=""
height="350px"
width="450px"
/> <figcaption>Schéma de l'ossature de l'éléphant</figcaption></figure></p>
<a href="cloche_à_vide.html"></a></br>
<p>Une fois le son infrasonore émis, l'auditeur le perçoit de différentes manières. Les espèces d'éléphants perçoivent ces sons qui se propagent dans l'air en tant qu'ondes acoustiques et à travers le sol en tant qu'ondes sismiques. </p>
<p>Les éléphants ressentent les infrasons se propageant à travers le sol grâce à leurs pieds et leur trompe. Dans ces 2 membres se trouvent des molécules sensibles aux pressions et vibrations appelées corpuscules de Pacini. Dans la patte de l'éléphant, ces récepteurs sensoriels se trouvent dans un coussin cartilagineux qui transmet ensuite ces vibrations à sa structure osseuse.</p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.09.06 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="550px"
/> <figcaption>Illustration schématique des Corpuscules de Pacini</figcaption></figure></p>
<p>Les 2 pattes avant de l'éléphant se situent dans le même axe que ses oreilles ; cette position permet une meilleure transmission vers l'oreille interne. </p>
<p>La vibration reçue se transmet ensuite aux os des jambes, des épaules, pour aboutir à l’oreille moyenne. </p>
<p>Les éléphants affichent des comportements plus vigilants, ainsi que des comportements indiquant la détection d'un signal de détresse par le sol, tels que le gel, l'odorat, le balayage et le fait de se pencher sur leurs jambes avant.</p>
<p>Leur comportement de gel et d'inclinaison de la tête peut permettre de mieux coupler le crâne au substrat. Les éléphants adoptent également un comportement de gel lors de la détection d'informations sismiques, de sorte qu'ils se penchent vers l'avant en plaçant davantage de poids sur leurs pieds antérieurs plus grands qui, en raison de la structure graviportale (d'un animal physiquement adapté pour se déplacer lentement sur la terre ferme, en raison d'un poids corporel élevé) unique de leurs membres antérieurs, sont directement alignés avec l'oreille interne. </p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.09.20 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="500px"
/> <figcaption>Éléphant en comportement de gel</figcaption></figure></p>
<p>Les éléphants peuvent reconnaître les grondements d’alertes de leurs proches, identifier l’origine de l’onde sismique et se mettre rapidement en position de défense : il y a ainsi un véritable réseau de séismes silencieux (pour nous) parcourant la savane.</p>
<h3>Conduction osseuse </h3>
<p>Les animaux qui utilisent la conduction osseuse pour détecter les signaux sismiques ont des osselets élargis, le marteau (étant le plus externe des os de la chaîne des trois osselets de l'oreille moyenne qui permet la transmission et l'amplification des vibrations sonores. Il est essentiellement formé de 2 parties : un corps qui s'articule avec l'enclume, et une longue apophyse qui est étroitement liée à la membrane tympanique) étant particulièrement hypertrophiés, ce qui facilite les oscillations indépendantes de l'os de l'oreille moyenne par rapport au crâne en raison de l'inertie. Lorsque les vibrations se transmettent dans les os, elles s’accouplent d’abord au sol et aux pieds, puis remontent dans les jambes et les épaules et dans la cavité de l’oreille moyenne ou, dans le cas de certains mammifères marins et petits rongeurs, directement dans le crâne.</p>
<p>(Cette voie de détection des signaux sismiques est plus évidente chez les taupes dorées, qui ont le plus grand malleus par rapport à la taille du corps de tout animal.) </p>
<p>La combinaison de ce comportement de gel et de la présence d'un marteau élargi suggérerait que les éléphants utilisent une voie conduite par les os pour la détection de signaux sismiques.</p>
<p>En plus de ce comportement de gel, les éléphants soulèvent parfois un pied devant le sol, ce qui aurait comme but de faciliter la localisation par triangulation. Ils s’alignent également non seulement dans la direction de la source du signal sismique, mais également perpendiculairement à celle-ci, ce qui constitue une preuve supplémentaire de l’utilisation d’un chemin conduit par les os, puisque cette posture positionne les oreilles de l’éléphant à la plus grande distance possible de la source, ce qui faciliterait la localisation de ces signaux. </p>
<p>6ème minute 50s (vidéo Caitlin) : Les éléphants peuvent aussi fermer leurs oreilles « close acoustic tube » pour favoriser la captation des signaux par l’os « bone conductive signals » </p>
<p><a href="https://www.youtube.com/watch?v=Yd0MRjq37uw" target='blank'>Vidéo de Caitlin O'Connell-Rodwell</a></p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.10.43 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="600px"
/> <figcaption>Schéma d'une oreille humaine</figcaption></figure></p>
<p>On a donc vu les 2 phénomènes qui permettent de réceptionner les ondes sismiques. </br>La locomotion de grands mammifères produit également des vibrations transmises au sol. Un troupeau de zèbres ou de girafes propagent pendant la course, des ondes sismiques qui sont distinctives au niveau des espèces, ce qui pourrait fournir des informations à un prédateur éloigné. </br>En quoi les éléphants ont-ils besoin de ces ondes ? Pourquoi les 2 ondes (sonores et sismiques) ? Y en a-t-il une plus efficace ?</p>
<h4>Ondes sismiques vs ondes sonores</h4>
Communication sur de longues distances grâce aux ondes sismiques (Vitesse de 248 à 264 m/s)
<h2> E - Pourquoi les ondes sismiques à la place des ondes sonores ?</h2>
<p>Si les particules sont très lourdes, elles se déplaceront plus lentement que si elles sont légères, et donc le temps nécessaire à la transmission du mouvement à la particule voisine sera plus grand, et l'onde ira donc moins vite.</p>
<p>Si les particules sont très proches (sol plus dense que l’air), la distance qu'elles doivent parcourir pour aller heurter leurs voisines est plus faible et l'onde ira plus vite. </p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.11.13 PM.jpg"
alt=""
height="150px"
width="600px"
/> <figcaption></figcaption></figure></p>
<h2>F - Affectation des facteurs environnementaux et plus </h2>
<p>Le sol est un bon milieu pour communiquer car il est relativement peu utilisé par les autres êtres vivants (par rapport à l’air) et il transmet assez peu de bruits parasites, hormis un séisme ou quelques coups de tonnerre de temps en temps. </p>
<p>Les ondes sonores aéroportées se propagent de manière sphérique, elles s'atténuent plus rapidement (perdant 6 dB pour chaque doublé de distance) que les ondes de surface du sol telles que les ondes de Rayleigh (perte de 3 dB pour chaque doublement de distance) => intégrité plus longue.</br>
Les ondes aéroportées et les ondes de substrat (sismiques) sont quand même sujettes aux interférences et aux altérations dues à certains facteurs environnementaux.</p>
<p>Des facteurs tels que le vent et la température influencent la propagation du son aérien, tandis que le type de sol et l'hétérogénéité font partie des facteurs influençant la propagation d'un signal sismique.</p>
<p>La propagation du son à très basse fréquence varie en fonction des conditions atmosphériques, qui changent tous les jours. Lors d'une soirée typique de la saison sèche dans la savane, une inversion de température se produit, ce qui peut potentiellement décupler la zone d'écoute des éléphants, de 30 km2 à midi et à 300 km2 le même soir. À la lumière, il est intéressant de noter que les éléphants de la savane effectuent la plupart de leurs appels à basse fréquence forts pendant les heures où la propagation du son est optimale.</p>
<p>La percussion directe de la Terre donne un signal bien plus puissant qu'une vocalisation aérienne couplée au sol.</p>
<p>Cependant, comme nous l'avons vu précedemment la puissance qu'un animal peut coupler dans le sol à basse fréquence est liée à sa masse (rat-taupe) ce qui est, en quelque sorte, une sorte d'handicap pour certains animaux.</p>
<p>Poids des différents types d’éléphants : (Éléphant de savane d'Afrique: 6 000 kg, Éléphant d'Asie: 5 400 kg, Éléphant de forêt d'Afrique: 2 700 kg)</p>
<p>"Il est possible que les éléphants utilisent les ondes sismiques lorsque la communication acoustique n'est pas idéale, ainsi que sur de courtes distances, en supplément de cette communication acoustique," a déclaré Günther (dresseur reconnu d’éléphants dans les cirques). </p>
<p>La vitesse de ces 2 types d'ondes est différente.</p>
<h3>Vitesse des ondes </h3>
<p>La distance parcourue et les vitesses de propagation des signaux dépendent de la fréquence du signal et du niveau d'énergie, ainsi que de l'état du substrat. </p>
<h4 id="vitesse1">La vitesse des ondes P est donnée par la formule </h4>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.11.32 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="500px"
/> <figcaption></figcaption></figure></p>
<p>- K est le module d’incompressibilité, ou module d'élasticité isostatique et permet d'exprimer la relation de proportionnalité entre le premier invariant du tenseur des contraintes et le premier invariant du tenseur des déformations. Il est la constante qui relie la contrainte au taux de déformation d'un matériau isotrope soumis à une compression isostatique.</p>
<p>- μ est le module de cisaillement (ou rigidité), </p>
<p>- ρ est la masse volumique (en kg.m-3) </p>
<p>- K et μ ont la dimension d'une pression (Pa) et sont de l'ordre du GPa</p>
<h5>Signification des coefficients K et μ ?</h5>
<p>Plus un corps est difficile à comprimer (K élevé), plus il se détend vite (un ressort rigide se détend plus vite qu'un ressort souple) et plus l'onde se propage vite ;</p>
<p>Plus un corps est difficile à déformer (μ élevé), plus vite il retrouve son état initial (la lame métallique d'un couteau retrouve sa forme initiale dès qu'on la relâche) </p>
<p>Plus un corps est dense (ρ élevé) plus sa mise en mouvement est difficile : l'onde s'y propage moins vite. La vitesse des ondes sismiques diminue avec la masse volumique ρ (et celle-ci figure au dénominateur dans la formule de Vp)</p>
<p>Cependant, avec la profondeur, si la pression et la masse volumique augmentent, K et μ augmentent plus vite que ρ de sorte que Vp augmente avec la profondeur.</p>
<h4 id="vitesse2">La vitesse des ondes S est donnée par la formule </h4>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.13.55 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="500px"
/> <figcaption></figcaption></figure></p>
<p>où μ est le module de cisaillement (ou rigidité), en résistance des matériaux, le module de cisaillement, est une grandeur physique (et généralement exprimé en MPa (mégapascals) ou en newtons par millimètre carré) propre à chaque matériau et qui intervient dans la caractérisation des déformations causées par des efforts de cisaillement.</p>
<p> <figure><img
src="img_partie_ondes_sismiques/Screenshot 2019-01-13 at 7.11.51 PM.jpg"
alt=""
height="300px"
width="500px"
/> <figcaption>Schéma du module de cisaillement</figcaption></figure></p>
<p>- ρ est la masse volumique (en kg.m-3)</p>
<p>Avec la profondeur, la masse volumique augmente mais μ augmente plus vite que ρ de sorte que Vp augmente avec la profondeur à condition que le milieu soit solide car μ = 0 dans les liquides.</p>
<h2>Conclusion </h2>
<p>Nous avons donc vu que les éléphants utilisent les ondes sismiques en compléments des ondes sonores ou si les conditions ne favorisent pas les ondes sonores. Les ondes sismiques chez l'éléphant sont donc utilisées pour différents buts par rapport aux ondes sonores</p>
</div>
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