Warum helfen die Flügel den Vögeln beim Fliegen?

Der Flug eines Vogels unterliegt der gleichen Physik wie der eines Flugzeugs. Im Profil betrachtet hat der Flügel eines Vogels eine abgerundete Vorderkante, eine stärker gewölbte Oberseite als Unterseite und eine dünne Hinterkante: genau ein Tragflächenprofil. Während sich der Vogel vorwärts bewegt, durchschneidet der Flügel die Luft in einem bestimmten Anstellwinkel und zwingt die Luftströmung, nach unten abzubiegen. Nach Newtons drittem Gesetz drückt die nach unten abgelenkte Luft den Flügel nach oben; gleichzeitig hinterlässt die beschleunigte Strömung über der Oberseite dort einen niedrigeren Druck als an der Unterseite. Beide Beschreibungen sind Seiten desselben Phänomens, des Auftriebs, und zusammen erklären sie, warum eine Möwe sich gleitend in der Luft halten kann, ohne mit den Flügeln zu schlagen.

Ein Flugzeug trennt die beiden Funktionen: Der Flügel erzeugt Auftrieb, das Triebwerk den Schub. Der Vogel vereint sie im Flügelschlag. Beim Abschlag kippt der äußere Teil des Flügels (die „Hand", mit den Handschwingen) und wirkt wie eine Luftschraube, die Luft nach hinten und unten drückt und so zusätzlich zum Auftrieb Schub erzeugt. Beim Aufschlag faltet sich der Flügel teilweise, und die Handschwingen trennen sich wie Vorflügel, um Luft durchzulassen und den Widerstand zu verringern. Große Vögel wie Störche oder Geier minimieren das Flügelschlagen und nutzen Thermik, um kreisend an Höhe zu gewinnen; kleine Vögel mit kurzen, abgerundeten Flügeln schlagen schnell, um sich durch die Vegetation zu bewegen.

Fliegen erfordert, dass der Auftrieb dem Gewicht entspricht, daher hat die Evolution alles erleichtert, was sie konnte. Die Knochen der Vögel sind hohl und mit inneren Stützstreben verstärkt, der Schnabel ersetzt die Zähne, und Luftsäcke erweitern die Lungen bis in das Skelett hinein. Auch die Federn sind außergewöhnlich effiziente Strukturen: starr im Schaft, flexibel in den Bärten und in der Lage, sich zu einer durchgehenden Fläche zu verhaken, die mit dem Schnabel reparierbar ist. Der Vogel passt die Form seines Flügels von Augenblick zu Augenblick an, verändert Pfeilung, Verdrehung und Wölbung und nutzt den Schwanz als Stabilisator und Bremse. Ein Flugzeug imitiert diese Steuerung mit Klappen, Querrudern und Seitenrudern; der Vogel hat sie in seinen Muskeln und Sehnen eingebaut.

Pioniere von Otto Lilienthal bis zu den Wright-Brüdern studierten den Vogelflug, um zu verstehen, wie das Gleichgewicht gehalten und eine tragende Fläche gesteuert wird. Die Flügelverwindung (wing warping) des Flyers von 1903 entstand aus der Beobachtung, wie Geier ihre Flügelspitzen verdrehen, um zu wenden. Heute imitieren die Winglets an Verkehrsflugzeugen die gespreizten Handschwingen von Greifvögeln, um den induzierten Widerstand an der Flügelspitze zu verringern.