Perché le ali aiutano gli uccelli a volare?

In sezione, l'ala di un uccello ha la stessa forma di un profilo alare: un bordo d'attacco arrotondato, una superficie superiore convessa e un bordo d'uscita affilato. Mentre si muove nell'aria, devia il flusso verso il basso, e sulla parte superiore si forma una zona di pressione più bassa; la somma di queste differenze di pressione produce la portanza, proprio come in un aereo. Le penne remiganti — le primarie e le secondarie — si sovrappongono formando una superficie quasi continua e molto leggera, sostenuta da uno scheletro di ossa pneumatizzate che riduce la massa senza perdere rigidità.

La differenza è che l'ala dell'uccello non è rigida. Può modificare curvatura, apertura e superficie in ogni momento, e singole penne possono ruotare attorno al proprio asse, permettendo all'aria di passare in una direzione mentre viene bloccata nell'altra. Nessuna ala metallica riproduce questa continua riconfigurabilità.

In un aereo, il motore produce la spinta e l'ala produce la portanza. Un uccello deve generare entrambe con la stessa struttura, e lo fa grazie alla geometria del battito d'ali. Nella fase discendente, l'ala rimane distesa con le penne chiuse, e la forza aerodinamica risultante è inclinata verso l'avanti: una componente sostiene il peso, l'altra spinge l'uccello avanti. Nella fase ascendente, l'uccello ripiega parzialmente l'ala, riduce la superficie e apre le penne primarie, in modo che l'aria passi tra di esse e la forza contraria sia minimizzata. La muscolatura rispecchia questa divisione: il muscolo grande pettorale aziona la fase discendente, e il muscolo supracoracoideo alza l'ala tramite un tendine che passa attraverso un'apertura nella spalla e funziona come una carrucola.

Il dispendio energetico è elevato, motivo per cui gli uccelli che volano molto hanno sviluppato strategie per battere le ali il meno possibile. L'albatro errante, con un'apertura alare superiore ai tre metri e ali estremamente sottili, utilizza il volo dinamico, sfruttando il gradiente di vento sopra le onde, e può percorrere centinaia di chilometri quasi senza battere le ali. Avvoltoi e cicogne cercano termiche, colonne di aria calda ascendente, e guadagnano quota in volo a spirale prima di scivolare verso la successiva.

La forma dell'ala rivela lo stile di vita di un uccello. Ali lunghe e strette come quelle dell'albatro minimizzano la resistenza indotta e sono costruite per scivolare sopra l'oceano. Ali larghe con penne primarie aperte a dita, come nei rapaci forestali, offrono alta portanza a basse velocità e agilità tra gli alberi. Ali corte e appuntite come quelle del falco pellegrino scambiano l'efficienza di volo planato con la velocità: in picchiata, questo uccello supera i 300 km/h. E il colibrì, un caso estremo, batte le ali da 50 a 80 volte al secondo in un movimento a forma di otto, che genera portanza in entrambe le metà del battito e gli permette di restare fermo in aria come un elicottero.

Questa varietà ha influenzato direttamente la storia dell'aviazione. Otto Lilienthal studiò il volo delle cicogne prima di costruire i suoi alianti, e i fratelli Wright osservarono come gli uccelli inclinassero le punte delle ali per virare: da qui nacque la torsione alare, il precursore diretto degli alettoni.