Perché le ali aiutano gli uccelli a volare?

Il volo di un uccello obbedisce alla stessa fisica di quello di un aereo. Vista di profilo, l'ala di un uccello ha un bordo d'attacco arrotondato, una superficie superiore più curva di quella inferiore e un bordo d'uscita sottile: esattamente un profilo alare. Mentre l'uccello avanza, l'ala taglia l'aria con un certo angolo d'attacco, costringendo il flusso d'aria a deviare verso il basso. Per la terza legge di Newton, l'aria deviata verso il basso spinge l'ala verso l'alto; allo stesso tempo, il flusso accelerato sopra la superficie superiore lascia lì una pressione più bassa che sotto. Le due descrizioni sono facce dello stesso fenomeno, la portanza, e insieme spiegano perché un gabbiano riesca a mantenersi in volo librato senza battere le ali.

Un aereo separa le due funzioni: l'ala genera portanza, il motore genera spinta. L'uccello le unisce nel battito d'ali. Nel movimento verso il basso, la parte esterna dell'ala (la "mano", con le remiganti primarie) si inclina e funziona come un'elica, spingendo l'aria all'indietro e verso il basso, generando così spinta oltre alla portanza. Nel movimento verso l'alto, l'ala si piega parzialmente, e le remiganti primarie si separano come slat, lasciando passare l'aria e riducendo la resistenza. Gli uccelli grandi come cicogne o avvoltoi riducono al minimo il battito d'ali e sfruttano le correnti termiche per guadagnare quota volando in circolo; gli uccelli piccoli con ali corte e arrotondate battono rapidamente per muoversi tra la vegetazione.

Volare richiede che la portanza sia uguale al peso, perciò l'evoluzione ha alleggerito tutto il possibile. Le ossa degli uccelli sono cave e rinforzate con puntoni interni, il becco sostituisce i denti, e i sacchi aerei estendono i polmoni fino allo scheletro. Anche le piume sono strutture straordinariamente efficienti: rigide nel calamo, flessibili nelle barbe e capaci di agganciarsi formando una superficie continua, riparabile con il becco. L'uccello adatta la forma dell'ala istante per istante, variando freccia, torsione e curvatura, e usa la coda come stabilizzatore e freno. Un aereo imita questo controllo con flap, alettoni e timoni; l'uccello lo ha incorporato nei suoi muscoli e tendini.

I pionieri, da Otto Lilienthal ai fratelli Wright, studiarono il volo degli uccelli per capire come mantenere l'equilibrio e controllare una superficie portante. Il wing warping del Flyer del 1903 nacque dall'osservazione di come gli avvoltoi torcono le punte delle ali per virare. Oggi i winglet degli aerei di linea imitano le remiganti primarie aperte dei rapaci per ridurre la resistenza indotta all'estremità dell'ala.