DyCo Dynamiques Couplées -- Coupled Dynamics

Sujet de Thèse et/ou de Stage

Approche thermodynamique hors d’équilibre de la production de puissance dans les systèmes vivants

Contacts eric.herbert@univ-paris-diderot.fr et christophe.goupil@univ-paris-diderot.fr

Localisation Université de Paris, 35 rue H. Brion, 75013 Paris

Nous proposons un sujet de stage et/ou de thèse sur les thématiques de l’équipe.

Le sujet complet est disponible ici

La mesure de l’oxygène comme indicateur métabolique est une technique robuste largement répandue dans les centres hospitaliers et sportifs, comme dans les laboratoires sur différents organismes. Elle est ici mise à profit pour renseigner le flux de déchet énergétique issu de la conversion de l’énergie chimique en énergie mécanique. Ces mesures de flux d’oxygène, divisées par la vitesse de déplacement du sujet (humain ou animal), déterminent le COT. Cette grandeur est directement associée à la production de déchet métabolique durant un effort unitaire, tel qu’une unité de longueur parcourue par exemple. Des travaux récents nous ont permis de valider l’ensemble de cette approche de modélisation en l’appliquant au cas du cheval, qui présente l’intéressante particularité de posséder plusieurs allures de déplacement

A ce jour aucune modélisation n’a permis de rassembler l’ensemble de ces résultats dans un même cadre. Nous proposons donc d’utiliser ce modèle pour rendre compte de la variabilité de ces paramètres dans une classe d’individus homogène d’une part et de l’évolution de ces paramètres en fonction de l’âge d’autre part.

Le programme scientifique prévu se compose d’un axe expérimental et un d’axe théorique qui se dérouleront en parallèle :

  1. Axe théorique. En s’appuyant sur les travaux menés au laboratoire , développement du formalisme associé aux transitoires et à la prise en compte de la totalité de l’impédance musculaire (active et réactive)

  2. Axe expérimental. mise en place et le déroulement de protocoles de mesures stationnaires, développement d’un système permettant une mesure instantanée, incluant les transitoires, de l’impédance de sortie mécanique d’un sujet à l’effort.

    1. En collaboration avec l’APHP et l’INSEP: étude du COT à la marche et à la course en fonction de la vitesse et de l’inclinaison chez l’humain.
    2. En collaboration avec le Museum d’Histoire Naturelle, étude du COT chez l’animal
    3. Développement d’un vélo instrumenté pour mesures d’impédance de sortie mécanique.

Séminaire: Les joies de la Contraintes

Intervention dans le cadre du séminaire du LIED sur Les joies de la contrainte?

Les séminaires du LIED peuvent être vus et revus sur la chaine dédiée ou sur la page du laboratoire

14h00 Christophe GOUPIL (Physicien, LIED, Université de Paris Diderot)

Contrainte et relâchement de contrainte : Les joies de la Thermodynamique

Les principes de la thermodynamique s’imposent à tous les systèmes, le vivant ne faisant pas exception. Les contraintes qui en découlent définissent les bordures d’un cadre à l’intérieur duquel se développent les possibles. Subir les principes de la thermodynamique, les assimiler, en utilisant des voies parfois subtiles ou parfois grossières, telles sont les défis auxquels est confronté l’ingénieur, tout autant que la nature dans l’évolution du vivant. Les différentes modalités de couplage entre l’énergie et la matière permettent d’explorer l’espace des possibles. A la vision mécaniste idéalisée d’un monde sans frottement, se substitue alors celle de la thermodynamique où qui peut le plus ne peut pas nécessairement le moins, et où l’idéal n’existe pas dans un temps fini. Cette approche thermodynamique nous permet d’envisager d’autres regards dès lors que l’on considère ses extensions sociotechniques, qui elles aussi trouvent un cadre et des bornes. L’exposé en présentera quelques exemples en évitant l’écueil des métaphores superficielles.

14h30 Roland LEHOUCQ (Astrophysicien, LCEG, CEA)

Ecofictions vues par les contraintes

La science-fiction semble être une littérature de la démesure. Mais, en cherchant à dépasser les contraintes du réel elle les explicite aussi. Elle imagine lesconséquences de leur oubli et permet, par exemple, de redécouvrir l’enjeu et les conditions de l’habitabilité terrestre. Ses déplacements dans le temps et dans l’espace sont riches d’expériences et d’ouvertures inspirantes qui pourraient aider à réfléchir sur les manières collectives de prendre en charge les défis environnementaux.

15h30 Sophie de MIJOLLA-MELLOR (Psychanalyste et philosophe, Laboratoire de Psychanalyse, CRPMS, Université de Paris Diderot)

Quête de satisfaction et défis civilisationnels

Face au déni de la part d’une majorité de la société quant aux défis civilisationnels qui nous entourent se pose la question des forces psychiques qui animent individus et sociétés au point de les rendre aveugles face aux limites des capacités de la Nature et donc des conséquences de la course au profit. On sait que les pulsions sexuelles et agressives qui nous habitent doivent être contenues et en partie refoulées pour permettre la vie en société. Peut-on considérer les impasses civilisationnelles actuelles comme le signe d’un échec du refoulement nécessaire ? Quelle part pourrait tenir la culture comme possibilité de dériver les buts pulsionnels sans pour autant perdre leur intensité ? Et plus généralement, peut-on se fonder sur les mécanismes individuels pour imaginer une régulation sociale permettant d’échapper aussi bien à la restriction et au refoulement qu’à la déliaison pulsionnelle avec ses conséquences ?

Adapted or Adaptable: How to Manage Entropy Production ?

This paper is a second part of the analysis of the metabolic behaviour of living system. It discusses the notion of adaptability for living organism

Author

Christophe Goupil and Eric Herbert

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The paper (in open access) can be found using DOI or here

Abstract

Adaptable or adapted? Whether it is a question of physical, biological, or even economic systems, this problem arises when all these systems are the location of matter and energy conversion. To this interdisciplinary question, we propose a theoretical framework based on the two principles of thermodynamics. Considering a finite time linear thermodynamic approach, we show that non-equilibrium systems operating in a quasi-static regime are quite deterministic as long as boundary conditions are correctly defined. The Novikov–Curzon–Ahlborn derivation applied to non-endoreversible systems then makes it possible to precisely determine the conditions for obtaining characteristic operating points. As a result, power maximization principle (MPP), entropy minimization principle (mEP), efficiency maximization, or waste minimization states are only specific modalities of system operation. We show that boundary conditions play a major role in defining operating points because they define the intensity of the feedback that ultimately characterizes the operation. Armed with these thermodynamic foundations, we show that the intrinsically most efficient systems are also the most constrained in terms of controlling the entropy and dissipation production. In particular, we show that the best figure of merit necessarily leads to a vanishing production of power. On the other hand, a class of systems emerges, which, although they do not offer extreme efficiency or power, have a wide range of use and therefore marked robustness. It therefore appears that the number of degrees of freedom of the system leads to an optimization of the allocation of entropy production.

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Thermodynamics of metabolic energy conversion under muscle load

This paper is part of the analysis of the metabolic behaviour of living system. It constitutes the theoretical side of our approach, which relies on the formalism of Finite Time Thermodynamics, FTT, to give a solid basis to the phenomenological behaviours observed in the case of muscle. This work is directly related to the notion of the range of adaptation of a living organism to its environment, which we are developing in a series of other articles currently being written.

Author

Christophe Goupil, Henni Ouerdane, Eric Herbert, Clémence Goupil and Yves D’Angelo

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Abstract

The metabolic processes complexity is at the heart of energy conversion in living organisms and forms a huge obstacle to develop tractable thermodynamic metabolism models. By raising our analysis to a higher level of abstraction, we develop a compact—i.e. relying on a reduced set of parameters—thermodynamic model of metabolism, in order to analyse the chemical-to-mechanical energy conversion under muscle load, and give a thermodynamic ground to Hill’s seminal muscular operational response model. Living organisms are viewed as dynamical systems experiencing a feedback loop in the sense that they can be considered as thermodynamic systems subjected to mixed boundary conditions, coupling both potentials and fluxes. Starting from a rigorous derivation of generalized thermoelastic and transport coefficients, leading to the definition of a metabolic figure of merit, we establish the expression of the chemical-mechanical coupling, and specify the nature of the dissipative mechanism and the so-called figure of merit. The particular nature of the boundary conditions of such a system reveals the presence of a feedback resistance, representing an active parameter, which is crucial for the proper interpretation of the muscle response under effort in the framework of Hill’s model. We also develop an exergy analysis of the so-called maximum power principle, here understood as a particular configuration of an out-of-equilibrium system, with no supplemental extremal principle involved.

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Closed-loop approach to thermodynamics

This paper is a second part of the analysis of the metabolic behaviour of living system. It discusses the notion of adaptability for living organism

Author

C. Goupil, H. Ouerdane, E. Herbert, G. Benenti, Y. D’Angelo, and Ph. Lecoeur

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Abstract

We present the closed-loop approach to linear nonequilibrium thermodynamics considering a generic heat engine dissipatively connected to two temperature baths. The system is usually quite generally characterized by two parameters: the output power P and the conversion efficiency , to which we add a third one, the working frequency . We establish that a detailed understanding of the effects of the dissipative coupling on the energy conversion process requires only knowing two quantities: the system’s feedback factor and its open-loop gain , which product characterizes the interplay between the efficiency, the output power, and the operating rate of the system. By raising the abstract hermodynamic analysis to a higher level, the feedback loop approach provides a versatile and economical, hence fairly efficient, tool for the study of any conversion engine operation for which a feedback factor can be defined.

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