Warum helfen Flügel Vögeln beim Fliegen?

Im Querschnitt hat der Vogelflügel die gleiche Form wie ein Tragflächenprofil: eine abgerundete Vorderkante, eine konvexe Oberseite und eine scharfe Hinterkante. Während er sich durch die Luft bewegt, lenkt er die Strömung nach unten ab, und auf der Oberseite bildet sich eine Zone niedrigeren Drucks; die Summe dieser Druckunterschiede ergibt den Auftrieb, genau wie bei einem Flugzeug. Die Schwungfedern – die primären und sekundären Remiges – überlappen sich zu einer fast durchgehenden, sehr leichten Fläche, getragen von einem Skelett mit pneumatisierten Knochen, das die Masse verringert, ohne an Steifigkeit zu verlieren.

Der Unterschied ist, dass der Vogelflügel nicht starr ist. Er kann Krümmung, Spannweite und Fläche in jedem Moment verändern, und einzelne Federn können sich um ihre Achse drehen, sodass Luft in eine Richtung hindurchströmen kann, während sie in die andere blockiert wird. Kein Metallflügel bildet diese ständige Umkonfigurierbarkeit nach.

Bei einem Flugzeug erzeugt das Triebwerk den Schub und der Flügel den Auftrieb. Ein Vogel muss beides mit derselben Struktur erzeugen, und das gelingt ihm durch die Geometrie des Flügelschlags. Beim Abschlag bleibt der Flügel ausgestreckt mit geschlossenen Federn, und die entstehende aerodynamische Kraft ist nach vorn geneigt: Eine Komponente trägt das Gewicht, die andere treibt den Vogel vorwärts. Beim Aufschlag klappt der Vogel den Flügel teilweise ein, verringert die Fläche und spreizt die Handschwingen, sodass Luft zwischen ihnen hindurchströmt und die entgegengesetzte Kraft minimiert wird. Die Muskulatur spiegelt diese Aufteilung wider: Der Musculus pectoralis major treibt den Abschlag an, und der Musculus supracoracoideus hebt über eine Sehne, die durch eine Öffnung in der Schulter verläuft und wie eine Umlenkrolle wirkt, den Flügel an.

Der Energieaufwand ist hoch, weshalb Vögel, die viel fliegen, Strategien entwickelt haben, um möglichst wenig zu schlagen. Der Wanderalbatros, mit einer Spannweite von über drei Metern und extrem schlanken Flügeln, nutzt dynamisches Segeln, indem er den Windgradienten über den Wellen ausnutzt, und kann Hunderte von Kilometern fast ohne Flügelschlag zurücklegen. Geier und Störche suchen Thermik, aufsteigende Warmluftsäulen, und gewinnen im Spiralflug an Höhe, bevor sie zur nächsten weitergleiten.

Die Flügelform verrät die Lebensweise eines Vogels. Lange, schmale Flügel wie die des Albatros minimieren den induzierten Widerstand und sind für das Gleiten über dem Ozean gebaut. Breite Flügel mit fingerartig gespreizten Handschwingen, wie bei Waldgreifvögeln, bieten hohen Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit und Wendigkeit zwischen Bäumen. Kurze, spitze Flügel wie die des Wanderfalken tauschen Gleiteffizienz gegen Geschwindigkeit: Im Sturzflug übertrifft dieser Vogel 300 km/h. Und der Kolibri, ein Extremfall, schlägt 50 bis 80 Mal pro Sekunde in einer Achtform, die auf beiden Hälften des Schlags Auftrieb erzeugt und ihm erlaubt, wie ein Hubschrauber in der Luft zu stehen.

Diese Vielfalt beeinflusste die Geschichte der Luftfahrt unmittelbar. Otto Lilienthal studierte den Flug von Störchen, bevor er seine Gleiter baute, und die Brüder Wright beobachteten, wie Vögel ihre Flügelspitzen zum Kurvenflug neigten: Daraus entstand die Flügelverwindung, der direkte Vorläufer der Querruder.