De tout temps, l’homme a voulu voler, et s’est inspiré de l’oiseau. En effet, il existe différentes sortes de battements d’ailes, et différents vols qui dépendent de chaque oiseau, d’une part, mais aussi des conditions climatiques du milieu. Léonard De Vinci fut un précurseur de l’aviation grâce à l’invention de ses machines volantes, appelées « Ornitottero ». Mais ses engins n’ont pas pu voler, et il a fallu attendre le 19ème siècle pour voir l’évolution des machines volantes : les premiers planeurs, puis les avions. Malgré l’évolution permanente des constructions aéronautiques, les avions sont encore apparentés aux oiseaux.

I/ Le vol de l'oiseau et ses techniques

1°) Trois principales fonctions liées au vol

Le vol complet d’un oiseau en trois dimensions et actif implique la réalisation simultanée de trois fonctions : la sustentation, la propulsion, la régulation (ou équilibration). La sustentation : c’est l’équilibre des forces qui permet à un aéronef

Aéronef

Machine volante plus lourde que l’air, propulsée par des ailes battantes ou tournantes. de composer avec la pesanteur terrestre. L’animal se maintient alors dans le fluide peu dense qui l’entoure. On distingue deux sortes de sustentations, la sustentation active et la sustentation passive. Cette dernière utilise la Poussée d’Archimède

Poussée d'Archimède

Force verticale appliquée à un objet plongé dans un liquide.
jusqu’au point où le poids

Poids

Force due à l’application de la pesanteur sur les corps matériels.
du système équilibre la poussée. Elle ne joue qu’un rôle auxiliaire chez les animaux aériens.

La sustentation active, quant à elle, utilise une poussée aérodynamique

Aérodynamique

: Partie de la physique qui étudie les phénomènes accompagnant tout mouvement relatif entre un corps et l’air où il baigne. telle que la résultante des forces équilibre le poids de l’animal. Cette fonction nécessite une dépense d’énergie. L’oiseau est mobile, en général, par rapport à l’air ambiant et se déplace avec une certaine vitesse : sustentation et vitesse sont liées. Si l’oiseau est immobile par rapport à l’air ambiant, il peut se sustenter par réaction aérodynamique, à une condition : il faut qu’il puisse produire une poussée suffisante pour équilibrer son poids. Cette situation est appelée « vol stationnaire », et demande à fournir beaucoup d’énergie. Les colibris utilisent le vol stationnaire en battant des ailes 80 fois par seconde !

Un colibri
Colibri

La propulsion : ce principe permet à l’oiseau de se mouvoir dans l’atmosphère selon une direction sensiblement horizontale, ce principe fait appel à un propulseur, qui est, chez les oiseaux, de nombreux mouvements cycliques, de type alternatif. Ce sont les ailes qui assurent les fonctions de propulsion, mais également de sustentation.
La régulation (ou équilibration) : c’est la fonction qui permet ou non à l’oiseau de contrôler son vol. En effet, la trajectoire de celui-ci peut être modifiée en un instant, à cause des conditions physiques qui changent… La trajectoire est le résultat complexe de plusieurs forces équilibrées. Si l’oiseau rétablit immédiatement sa trajectoire après un changement, on dit que le système est auto-stable. L’oiseau fournit alors des efforts. La régulation du vol est assurée par les réflexes sensori-moteurs

Sensori-moteur

Qui concerne à la fois les fonctions sensorielles et la motricité. de l’oiseau.

2°) Les forces appliquées à l'oiseau (ou à l'avion) pendant son vol

La portance : Lorsqu’un oiseau se déplace, l’air s’écoule plus vite au-dessus qu’en dessous de ses ailes. La différence de vitesse d’écoulement créé une différence de pression entre le dessous et le dessus de ses ailes. Il en résulte une force, la portance, découverte par Bernoulli au 18ème siècle, qui lui permet de voler. C’est la force qui a tendance à soulever l’oiseau (ou l’avion). Une incidence positive amène une « portance vers le haut », soit une portance, alors q’une incidence négative amène une « portance vers le bas », soit une déportance.

Une formule permet de déterminer la portance :

P = Cz × ½ρ × v2 × S
P est la valeur de la portance en Newton.
Cz est le coefficient de la portance, sans échelle.
ρ est la masse volumique du fluide en kg.m-3.
v est la vitesse relative en m.s-1.
S est la surface projetée à l’horizontale en m2.

La traînée : Il existe aussi une force qui freine l’oiseau car l’air pousse l’oiseau vers l’arrière en même temps qu’il le soulève : c’est la traînée. C’est donc la résistance au passage de l’air, qui est parallèle et opposée à l’écoulement. Une formule permet de déterminer la traînée :

T = Cx × ½ ρ × v2 × S
T est la valeur de la traînée en Newton.
Cx est le coefficient de la traînée, sans échelle.
ρ est la masse volumique du fluide en kg.m-3.
v est la vitesse relative en m.s-1.
S est la surface exposée au vent en m2.

La poussée : Un oiseau en vol est soutenu par une force qui s’oppose à la pesanteur, la poussée, produite par les ailes, plus particulièrement par l’extrémité de ces ailes. Plus l’aile est grande, plus la poussée est forte.

Voici quelques schémas qui représentent les forces permettant à l’oiseau de voler :

Schéma des forces Schéma des forces II Schéma des forces III

3°) Plusieurs vols à distinguer

L’oiseau offre une multitude de vols qui s’étendent du vol minimal à la maîtrise complète du milieu aérien. Nous parlerons de trois vols, le vol battu, la vol plané et le vol actif.

Le vol battu : Tous les oiseaux se servent de ce vol. L’air est alors repoussé vers le bas et vers l’arrière par l’abaissement des ailes, ce qui propulse l’oiseau vers le haut et vers l’avant. L’aile décrit un mouvement alternatif, et assure deux choses en même temps : la sustentation et la progression. Les ailes battent de manière régulière dans ce vol, en s’appuyant sur l’air.

Le vol plané : c’est un vol sans battement d’ailes, l’oiseau se laisse porter dans les airs grâce à la surface portante de ses ailes et il utilise les courants aériens. Il permet à l’oiseau tombant en chute libre de parcourir une trajectoire allongée : l’angle de plané est alors inférieur à 45°. Le planeur peut gagner ou perdre de l’altitude si l’air ambiant contient des variations de vitesse horizontale, ou si l’air ambiant est immobile.

Le vol actif : il permet à l’oiseau de décoller, et de gagner ou de maintenir de l’altitude. Lors d’une progression horizontale ou en vol stationnaire, l’oiseau dépense de l’énergie. La propulsion active correspond à des contractions musculaires, qui s’effectuent en puisant dans les réserves de métabolites

Métabolite

Toute substance organique qui participe au processus du métabolisme, ou qui est formée dans l’organisme au cours des transformations métaboliques. qui se transforment en énergie mécanique et en chaleur.

Le vol actif est utilisé par les colibris, le vol plané, par des oiseaux bons voiliers (faucons, albatros), et le vol battu par tous les oiseaux capables de voler.

Différents vols d'oiseaux
Albatros Faucon crécerelle Faucon gerfaut Aigle des steppes
albatros faucon crécerelle faucon gerfaut aigle des steppes


Vol d'une chouette effraie
Le vol d'une chouette effraie

4°) Un organe capital pour le vol : les ailes

On appelle extrados la partie supérieure de l’aile et intrados la partie inférieure de l’aile. Voici la section d’une aile ou un profil :

Vue en coupe d'une aile d'oiseau

Tous les oiseaux n’ont pas les mêmes ailes, car elles ne remplissent pas les mêmes fonctions. Par exemple, les ailes du faucon pèlerin sont étroites et longues, en forme de faux, ce qui lui offre une rapidité dans les airs exceptionnelle. Les ailes d’une buse variable sont larges, elle peut se laisser planer.

Une buse variable Un faucon pèlerin
Photo d'une buse variable Photo d'un faucon pèlerin

Les plumes : celles de la queue, appelées rectrices, sont particulièrement mobiles. Au cours du vol, elle assurent la stabilité de l’oiseau et participent avec les ailes au changement de direction. Elles sont aussi utilisées lors de l’atterrissage, pour freiner.
Les rémiges primaires assurent la poussée, et la plus grande partie de la portance est assurée par les rémiges secondaires, qui forment un petit groupe appelé tertiaires.
L’alule est constituée de petites plumes fixées au niveau du pouce, et permet à l’oiseau de garder l’équilibre lors des vols lents, et à l’atterrissage notamment.
Les couvertures sont des petites plumes disposées au bord d’attaque de l’aile jusqu’au rémiges, ce sont elles qui donnent à l’oiseau sa forme aérodynamique.
Pendant le vol, les scapulaires (face supérieure de l’aile) et les axillaires (face inférieure) comblent l’espace situé entre le corps et le bord interne de l’aile.
L’oiseau huile ses plumes avec une sécrétion (sébum) de la glande uropygienne en se nettoyant. Cette imperméabilisation maintient l’isolation thermique, vitale pour les oiseaux.

Aile et différentes plumes qui la composent
Schéma des plumes d'une aile d'oiseau