Pourquoi une goutte de pluie plus lourde qu'un moustique ne le tue pas ?
― Trop léger, c'est la goutte qui cède
Une seule goutte de pluie peut peser plusieurs fois le poids d'un moustique. Ramené à notre échelle, ce serait comme si des objets plus lourds que nous tombaient du ciel en continu. Et pourtant le moustique continue de voler sans tomber. Ce qui le protège, ce n'est pas un corps solide, mais une légèreté étonnante.
Un soir d'été, la pluie se met soudain à tomber. Réfugié sous un auvent, vous voyez un moustique voler en zigzag juste devant vous.
De grosses gouttes s'abattent bruyamment. Si l'une d'elles le touchait, le moustique ne devrait pas survivre.
Pourtant, dès que la pluie cesse, le moustique revient tranquillement voler autour de vous. Comment a-t-il traversé cette averse indemne ?
Deux raisons expliquent tout
Le moustique est si léger que la goutte continue de tomber presque à la même vitesse en l'emportant avec elle. Comme l'élan de la goutte diminue à peine, la force reçue par le moustique reste faible.
Le corps et les ailes du moustique sont couverts de minuscules poils qui repoussent l'eau. Même emporté un instant par la goutte, il s'en détache en douceur un peu plus bas et repart aussitôt voler.
L'idée qu'« un objet lourd qui vous percute est dangereux » ne vaut que si la cible reste immobile. Pour un corps léger suspendu dans les airs, c'est presque l'inverse qui se produit.
Tout dépend si la cible peut « suivre le mouvement »
L'intensité d'un choc dépend de la brutalité du changement de vitesse. Une même goutte, en touchant le sol, s'arrête net. La vitesse change beaucoup, donc la force est grande.
Mais en touchant un moustique en plein vol, elle l'entraîne avec elle vers le bas. Le moustique étant bien plus léger que la goutte, celle-ci ralentit à peine et continue de tomber. Comparez la gauche et la droite de la figure 1.
Une équipe de recherche américaine a filmé au ralenti des gouttes d'eau percutant des moustiques. Le moustique reste porté par la goutte sur une distance équivalant à une dizaine de fois sa propre longueur, avant de s'en détacher et de s'envoler. Son corps subirait alors une accélération de 100 à 300 fois la gravité terrestre. Une valeur qu'un humain ne supporterait pas, mais que le corps léger du moustique encaisse sans dommage.
Et pour les autres animaux ?
Cette stratégie de « protection par la légèreté » agit très différemment selon la taille du corps.
Chez l'humain. Une goutte de pluie ne pèse qu'un millionième du poids d'une personne, tout au plus. La goutte s'arrête complètement sur la peau, mais son élan est si faible au départ que cela ne fait ni mal ni chatouille. Contrairement au moustique, l'humain est « trop lourd pour le remarquer ».
Chez le moustique volant près du sol. Le vrai danger pour le moustique surviendrait quand une goutte le touche tout près du sol. S'il est emporté par la goutte et heurte le sol ou une flaque en chemin, il se retrouve dans la même situation que la figure 1 de gauche : un obstacle immobile. Le moustique se retrouve alors pris en étau entre la goutte et le sol.
Chez la chauve-souris. Avec un poids des milliers de fois supérieur à celui d'un moustique, l'impact d'une goutte ne pose aucun problème à la chauve-souris. Ce qui la gêne, c'est que son pelage mouillé la refroidit et l'alourdit. Selon une étude, voler sous la pluie double environ l'énergie dépensée pour le vol.
Sous une pluie forte, le moustique peut bel et bien recevoir des gouttes de plein fouet. Dans les expériences, les moustiques touchés étaient emportés sur quelques centimètres à une dizaine de centimètres, avant de se redresser et de repartir en vol. Pour nous, une goutte est minuscule ; pour le moustique, c'est un monde où des masses d'eau plus grosses que lui tombent sans cesse.
En résumé
La force d'un choc ne dépend pas seulement du poids de l'objet qui percute. Selon que la cible peut ou non se déplacer avec lui, la manière dont la vitesse change diffère, et donc la force aussi. Le moustique étant bien plus léger que la goutte, il la freine à peine. La force reçue reste donc faible, et son corps hydrophobe lui permet de s'en détacher vite pour repartir voler.
Si le moustique résiste à la pluie, ce n'est pas parce qu'il est solide.
C'est parce qu'il est trop léger pour que la goutte s'arrête.
Pourquoi la goutte elle-même ne fait pas mal, c'est expliqué dans Pourquoi une goutte de pluie tombée de 1000 mètres ne fait pas mal ?. Sur la façon dont un petit corps perçoit l'eau différemment, voir aussi Pourquoi l'eau est-elle « visqueuse comme du miel » pour une daphnie ?. Sur la manière dont le moustique repère l'humain, voir Pourquoi certaines personnes se font-elles plus piquer par les moustiques que d'autres ?.
- Suspendez une feuille de mouchoir en papier à un fil, accrochée au plafond ou à un bâton. Posez une seconde feuille à plat sur une table, en maintenant un bord avec la main.
- Avec une paille, laissez tomber une goutte d'eau à la fois, depuis la même hauteur, sur chacune des deux feuilles.
- La feuille suspendue oscille sous le choc de la goutte et dissipe son élan par le mouvement. La feuille maintenue, elle, ne peut pas bouger. Comparez la façon dont la goutte les touche et rebondit sur chacune.
Le mouchoir suspendu n'est pas aussi léger qu'un moustique, mais l'expérience permet de ressentir l'idée que « plus la cible peut bouger, plus le choc s'atténue ». Faites cela dans un endroit où l'eau ne pose pas de problème.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu niveau collège au niveau universitaire spécialisé, chaque section indique son niveau
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique du lycée (tronc commun et spécialité)
- Lycée+Approfondissement lycée, ou contenu type encadré de manuel
- Univ.Non vu au lycée, contenu de spécialité universitaire (mécanique des fluides, biophysique)
- RechercheNon encore enseigné comme « établi », sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Inertie : tendance d'un objet à conserver son mouvement. Plus un objet est lourd, plus il résiste au changement de mouvement.
- Quantité de mouvement : produit de la masse et de la vitesse. La somme des deux objets reste la même avant et après le choc.
- Hydrophobie : propriété d'une surface qui repousse l'eau. Les fins poils du corps et des ailes du moustique en sont la cause.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien la goutte ralentit-elle en touchant le moustique ?
Considérons le cas le plus simple, où la goutte et le moustique se collent et se déplacent ensemble. Le sens des symboles et leurs unités figurent dans le tableau ci-dessous.
| Symbole | Signification et unité |
| M | masse de la goutte (mg) |
| m | masse du moustique (mg) |
| V | vitesse de la goutte avant le choc (m/s) |
| v | vitesse commune après le choc (m/s). v = M ÷ (M + m) × V |
| Masse M d'une goutte de 3 mm de diamètre | environ 14 mg |
| Vitesse de chute V de cette goutte | environ 8 m/s |
| Masse m d'un moustique | environ 2 mg |
| Poids d'une personne | 60 kg (60 000 000 mg) |
| Masse totale goutte + moustique | 14 + 2 = 16 mg |
| Part de la goutte dans ce total | 14 ÷ 16 ≒ 0,875 |
| Vitesse v après le choc | 0,875 × 8 = 7 m/s |
| Ralentissement de la goutte (choc sur moustique) | 8 − 7 = 1 m/s |
| Rapport avec l'arrêt total au sol | 8 ÷ 1 = 8 fois |
| Poids humain / poids de la goutte | 60 000 000 ÷ 14 ≒ 4 300 000 fois |
Pour une durée de choc identique, la force reçue par la goutte est proportionnelle à la variation de vitesse. Contre un moustique, elle ne vaut donc qu'environ un huitième de celle d'un arrêt au sol. Et comme cette petite force est la seule chose qui pousse sur le corps du moustique, celui-ci l'encaisse sans peine malgré sa légèreté. L'humain pesant environ 4,3 millions de fois plus qu'une goutte, celle-ci ne produit, même en s'arrêtant net sur la peau, qu'une force trop faible pour être perçue.
LycéeLycée+La force comme « vitesse de variation de la quantité de mouvement »
LycéeL'impulsion reçue par un objet est égale à la variation de sa quantité de mouvement. La quantité de mouvement totale de la goutte et du moustique se conserve, donc le léger moustique n'en reçoit qu'une infime part. L'impulsion, et donc le choc, reste faible.
Lycée+Un choc où les deux corps se collent et se déplacent ensemble s'appelle un « choc parfaitement inélastique ». En réalité, la goutte se déforme et le moustique s'en détache en cours de route, ce qui complique un peu le tableau. La conclusion reste toutefois la même : plus la cible est légère, plus le ralentissement de la goutte est faible.
Univ.Déformation de la gouttelette et rôle de la tension superficielle
Une goutte de pluie n'est pas une bille rigide : au choc, elle s'aplatit et s'étale. Un nombre comparant l'élan de la goutte à la force de la tension superficielle (le nombre de Weber) détermine si elle éclate ou reste cohérente. Chez le moustique, les poils hydrophobes empêcheraient la goutte de le retenir, lui permettant de glisser sur le côté plutôt que d'y rester prisonnier. La disposition fine des poils sur la cuticule des insectes est d'ailleurs un sujet très étudié dans la recherche sur l'hydrophobie.
RechercheCe qui reste encore mal connu
- Fréquence des chocs en conditions réelles. Les expériences ont surtout été menées en intérieur avec des gouttes contrôlées ; on ignore encore combien de fois un moustique est réellement touché sous une vraie pluie, et quelle proportion y survit.
- Comment il se redresse. La façon précise dont le moustique utilise ses ailes et ses pattes pour retrouver son équilibre après une forte accélération est encore en cours d'étude.
- Différences avec d'autres petits insectes volants. On ignore dans quelle mesure cette même stratégie fonctionne chez des mouches, papillons de nuit ou coléoptères, dont le poids et la rigidité du corps diffèrent ; les études comparatives restent rares.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on sait pour l'instant ». Les calculs ci-dessus sont des approximations simplifiées destinées à faire comprendre le mécanisme.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・mouvement et énergie (inertie) | Plus un objet est lourd, plus il résiste au changement |
| Lycée | Physique (quantité de mouvement et impulsion) | Ralentissement de la goutte, vérification par le calcul |
| Lycée+ | Physique (choc inélastique) | Choc où les corps se déplacent ensemble |
| Univ. | Mécanique des fluides・biophysique | Déformation de la gouttelette et hydrophobie |
| Recherche | Vol des insectes et adaptation à l'environnement | Réalité en conditions naturelles, redressement |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi les moustiques reviennent après la pluie |
- Dickerson, A. K., Shepherd, P. G., & Hu, D. L. (2012). Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. PNAS, 109(25)
- Gunn, R., & Kinzer, G. D. (1949). The terminal velocity of fall for water droplets in stagnant air. Journal of Meteorology, 6, 243–248.
- Voigt, C. C., et al. (2011). Rain increases the energy cost of bat flight. Biology Letters, 7, 793–795.
- Agence météorologique japonaise, « Intensité et types de pluie » (気象庁「雨の強さと降り方」)
※Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des approximations destinées à faire comprendre le mécanisme. Les valeurs réelles varient selon l'intensité de la pluie, la taille des gouttes et l'espèce de moustique.