Pourquoi les ailes aident-elles les oiseaux à voler ?

Vue en coupe, l'aile d'un oiseau présente la même forme qu'un profil d'aile d'avion : un bord d'attaque arrondi, une face supérieure convexe et un bord de fuite effilé. En se déplaçant dans l'air, elle dévie le flux vers le bas et une zone de basse pression se forme sur la face supérieure ; la somme de ces pressions constitue la portance, exactement comme sur un avion. Les plumes de vol - les rémiges primaires et secondaires - se superposent pour former une surface presque continue et très légère, soutenue par un squelette aux os pneumatisés qui réduit la masse sans perdre en rigidité.

La différence, c'est que l'aile d'un oiseau n'est pas rigide. Elle peut modifier sa courbure, son envergure et sa surface à chaque instant, et chaque plume peut tourner sur son axe pour laisser passer l'air dans un sens et le bloquer dans l'autre. Aucune aile métallique ne reproduit cette capacité constante de reconfiguration.

Dans un avion, le moteur produit la poussée et l'aile produit la portance. Un oiseau doit générer les deux avec la même structure, et il y parvient grâce à la géométrie du battement. Pendant la phase descendante, l'aile reste déployée avec les plumes fermées, et la force aérodynamique qui en résulte s'incline vers l'avant : une composante soutient le poids et l'autre propulse l'oiseau en avant. Pendant la phase montante, l'oiseau replie partiellement l'aile, réduit sa surface et sépare les rémiges primaires pour laisser passer l'air entre elles, minimisant ainsi la force opposée. La musculature reflète cette répartition : le grand pectoral assure la puissance de la phase descendante, et le supracoracoïde, par l'intermédiaire d'un tendon qui passe par un orifice de l'épaule et agit comme une poulie, relève l'aile.

Le coût énergétique est élevé, c'est pourquoi les oiseaux qui volent beaucoup ont développé des stratégies pour battre des ailes le moins possible. L'albatros hurleur, avec une envergure de plus de trois mètres et des ailes à très fort allongement, pratique le vol dynamique en exploitant le gradient de vent au-dessus des vagues et peut parcourir des centaines de kilomètres presque sans battre des ailes. Les vautours et les cigognes recherchent les thermiques, des colonnes d'air chaud ascendant, et gagnent de l'altitude en spiralant avant de glisser jusqu'au thermique suivant.

La forme de l'aile révèle le mode de vie d'un oiseau. Des ailes longues et étroites, comme celles de l'albatros, minimisent la traînée induite et sont conçues pour le vol plané au-dessus de l'océan. Des ailes larges aux rémiges primaires séparées en forme de doigts, comme celles des rapaces forestiers, offrent une forte portance à basse vitesse et une grande maniabilité entre les arbres. Des ailes courtes et pointues, comme celles du faucon pèlerin, sacrifient l'efficacité du vol plané au profit de la vitesse : en piqué, cet oiseau dépasse 300 km/h. Et le colibri, cas extrême, bat des ailes de 50 à 80 fois par seconde en dessinant un huit qui génère de la portance sur les deux moitiés du mouvement, lui permettant de faire du vol stationnaire comme un hélicoptère.

Cette diversité a directement influencé l'histoire de l'aviation. Otto Lilienthal a étudié le vol des cigognes avant de construire ses planeurs, et les frères Wright ont observé comment les oiseaux inclinaient le bout de leurs ailes pour virer : c'est de là qu'est né le gauchissement d'aile, l'ancêtre direct des ailerons.