Remarquable invention de l’évolution, la conquête de l’air a ouvert de fabuleuses perspectives chez de nombreux groupes animaux, tant invertébrés que vertébrés. Une multitude d’organismes de toutes formes et de toutes tailles, des minuscules hyménoptères pesant moins de 0,2 mg à d’énormes ptérosaures pesant plusieurs centaines de kg, ont animé ou animent le ciel depuis plus de 250 millions d’années. Par la diversité de leurs tailles et de leurs techniques de vol, les oiseaux sont passés maîtres dans le développement de vols aussi sophistiqués que le vol stationnaire des oiseaux-mouches ou les foudroyants piqués d’un faucon poursuivant sa proie. Sans compter ces performances extraordinaires que sont les grandes migrations sur plusieurs milliers de km sans arrêt possible que pratiquent certaines espèces, y compris pour franchir de hautes chaînes de montagne. Une belle série de fossiles des ancêtres des oiseaux nous a permis de comprendre l’essentiel de l’évolution anatomique et morphologique des oiseaux, notamment celle de ces surfaces portantes que sont les ailes.
Figure 1. Forces impliquées dans le vol. [Source : Schéma de l’auteur]La mécanique du vol des oiseaux relève de la dynamique des fluides, branche de la physique qui s’intéresse aux processus d’écoulement de l’air et leurs effets sur des éléments solides en suspension dans l’air (Lire Poussée d’Archimède et portance & Traînée subie par les corps en mouvement).
Le schéma ci-contre (Figure 1) [1] illustre la nature des forces impliquées lors du vol. Le battement de l’aile a deux fonctions :
la première -lorsque l’aile s’abaisse- consiste à repousser l’air vers le bas pour maintenir l’oiseau à niveau grâce au courant d’air porteur qui compense la force de gravité qui est d’autant plus élevée que la masse est plus grande ; c’est la fonction de portance.
la seconde fonction -la force de propulsion (aussi appelée force de poussée)- propulse l’oiseau vers l’avant en produisant un flux d’air qui glisse de part et d’autre de l’aile et du corps de l’oiseau, générant un effet de portance comme le font les ailes d’un avion.
Les deux fonctions des ailes d’oiseaux, portance et poussée, se complètent ce qui explique que leur forme et leur fonctionnement sont bien plus compliqués que ceux d’une aile d’avion qui n’assure que la fonction de portance, la propulsion étant assurée par les moteurs.
La force de portance est générée par le flux d’air qui s’écoule sur et sous l’aile tandis que la force de propulsion est produite quand l’aile s’abaisse lors de l’abattée, mais cette force est freinée -voire annulée- lorsque l’oiseau fait du vol sur place, par la force de traînée qui est due à la résistance de l’air et à son frottement sur le corps et l’aile de l’oiseau.
Lorsque l’oiseau est en vol de croisière à vitesse et altitude constantes, les forces de gravité et de portance s’équilibrent. Pour un vol plané à vitesse constante, la force de propulsion dirigée vers l’avant et la trainée s’équilibrent : l’oiseau avance par inertie. Si la portance est inférieure au poids, l’oiseau perd de l’altitude et si la force de propulsion est inférieure à la traînée, l’oiseau ralentit. En vol battu, chaque battement induit une impulsion dont la composante vers le haut est responsable de la portance qui permet à l’oiseau de monter ou de descendre suivant sa valeur, tandis que la composante horizontale vers l’avant, la force de propulsion, peut l’emporter sur la trainée et permettre à l’oiseau d’accélérer.
Quant à l’angled’attaque de l’aile, c’est l’angle formé par la corde de son profil aérodynamique et le vecteur du flux d’air. L’oiseau s’abaisse ou s’élève en fonction de la valeur de cet angle, exactement comme le font les gouvernes de profondeur d’un avion. La vitesse du vol dépend du rapport entre la force de propulsion et la force de traînée mais elle dépend aussi de l’angle d’attaque de l’aile.
Une métrique d’importance majeure est l’envergure relative ou allongement de l’aile qu’on exprime de manière simple par le rapport de la longueur de l’aile à sa largeur (L/l). Ce rapport est élevé quand l’aile est longue et étroite comme celle d’un faucon et faible quand l’aile est courte et large comme celle d’un épervier. La charge alaire, enfin, est le rapport de la masse de l’oiseau à la surface de son aile.
2. De profondes modifications morphologiques et anatomiques
2.1. Transformation du squelette des théropodes à l’origine des oiseaux
Figure 2. Archæoptéryx. Ce théropode, ancêtre des oiseaux, ne volait pas vraiment mais se déplaçait sans doute en planant d’un arbre à l’autre. [Source : Aquarelle originale de Richard Bligny pour EEnv]Le vol des vertébrés est l’une des activités les plus complexes que l’évolution ait réussi à mener à bien dans le règne animal car il nécessite de concilier puissance et légèreté, deux qualités qui ont entraîné de profondes modifications du squelette. Les oiseaux sont issus d’une branche particulière de dinosaures, les théropodes, qui étaient des animaux bipèdes dont beaucoup étaient déjà couverts de duvet et de plumes primitives (ou protoplumes) comme le révélèrent les fossiles du fameux Archæoptéryx qui portait déjà des plumes (Figure 2)
Figure 3. Transformation du squelette de théropode à celui d’un pigeon. Noter la compression antéro-postérieure du corps, la disparition de la queue et le positionnement du centre de gravité sous les ailes. [Source : Schéma de l’auteur]Alors que le squelette des théropodes était allongé et pourvu d’une longue queue, il se contracte chez les oiseaux dans l’axe antéro-postérieur par une fusion des os du tronc en un « synsacrum » [2]. Cet os compact, rigide et léger correspond à la fusion des dernières vertèbres thoraciques, des vertèbres lombaires et sacrées et des premières vertèbres caudales (Figure 3).
2.2. Un organisme adapté au vol
L’appareil squeletto-musculaire entreprend une évolution spectaculaire avec un élargissement des ceintures pelvienne et pectorale, un allongement des membres antérieurs qui deviennent les ailes et l’apparition d’un puissant bréchet, sorte de quille sur laquelle s’insèrent les puissants muscles du vol. La forte compression antéro-postérieure du corps positionne le centre de gravité de l’oiseau juste sous les ailes. La queue se réduit en un court appendice, appelé « pygostyle » [3].
Les organes internes présentent aussi des adaptations clairement associées au vol :
Le cœur, massif et puissant, est bien plus développé que celui d’un mammifère de même taille (le cœur d’un moineau est trois fois plus gros que celui d’une souris) ; il bat bien plus vite que celui des mammifères, jusqu’à 1000 pulsations par minute chez les oiseaux-mouches contre 500 chez la souris et 70 chez l’homme ;
Les vaisseaux sont élargis de manière à transporter la grande quantité d’oxygène nécessaire aux muscles du vol ;
Les poumons sont ramifiés en un système complexe de sacs aériens qui se répand partout dans le corps, y compris dans les os et les muscles pectoraux. La fonction de ces sacs est de faciliter les échanges d’oxygène et de gaz carbonique avec la circulation sanguine, notamment quand l’oiseau vole à haute altitude où l’oxygène se raréfie ; ils fonctionnent aussi comme système de réfrigération qu’exige le métabolisme élevé des oiseaux ;
Bien d’autres dispositifs anatomiques, morphologiques et physiologiques contribuent à diminuer le poids de l’oiseau : la vessie disparaît, les déchets urinaires étant évacués avec les fèces ;
Les organes reproducteurs s’atrophient et se résorbent en dehors de la saison de reproduction ;Figure 4. Frégate superbe (Fregata magnificens) mâle. [Source photo Benjamint444, GFDL 1.2, via Wikimedia Commons]
Le régime alimentaire est aussi énergétique et léger que possible, excluant une nourriture aussi peu énergétique que les feuilles ou l’herbe ;
Si le squelette de l’oiseau est très léger, la musculature par contre est massive et puissante, totalisant jusqu’à 30% de la masse totale de l’oiseau chez certaines espèces. Les muscles pectoraux qui s’insèrent sur le bréchet se composent d’un puissant muscle pectoral qui fait descendre l’aile et assure la portance et la propulsion de l’oiseau lors de l’abattée, et d’un muscle bien moins puissant, le « supracoracoïde » [4], qui remonte l’aile.
C’est sans doute chez les frégates, oiseaux de mer proches des fous, que les adaptations au vol sont les plus remarquables. La frégate superbe (Figure 4) ne pèse que 2,5 kg dont la moitié pour le plumage et 100 g pour le squelette mais l’envergure atteint 2 m. Cet oiseau pélagique ne peut ni amerrir ni décoller d’une surface plane, ce qui l’oblige à nicher dans des buissons qu’il quitte en s’élançant dans le vide (Lire Focus S’envoler). Ayant sans doute la plus faible charge alaire de tous les oiseaux volants actuels d’envergure similaire, les frégates volent sans se poser pendant plusieurs mois, se nourrissant de poissons, calmars et jeunes tortues marines qu’elles attrapent au vol. Une de leurs spécialités est aussi de dérober les poissons capturés par d’autres oiseaux de mer.
La forme des ailes d’oiseau telle qu’on peut la réduire à ces deux métriques que sont leur envergure relative (rapport L/l) et la charge alaire, est la résultante de nombreux compromis entre la masse de l’oiseau, son histoire évolutive, son régime alimentaire et les comportements d’acquisition de la nourriture :
Les petits passereaux forestiers insectivores comme les mésanges (Figure 7) et les pouillots ont intérêt à avoir un rapport L/l et une charge alaire aussi faibles que possible pour louvoyer aisément dans le sous-bois à la recherche des insectes dans le feuillage des arbres.
Les oiseaux comme les Alcidés, pingouins ou guillemots qui « volent » dans les deux fluides, l’air et l’eau, ont des ailes relativement courtes avec un faible rapport L/l, ce qui les favorise quand ils « volent » sous l’eau, mais les handicapent quand ils sont dans l’air.
En toute première approximation, car les variantes sont innombrables, on reconnaît deux grands types de vol, le vol plané et le vol battu, ou ramé.
4.1. Le vol plané
Le premier est un vol passif, au moins en apparence, qui met en œuvre des formes d’énergie extérieures à l’animal, à savoir les forces générées par les courants d’air et ascendances thermiques produits par le contexte topographique des paysages, falaises, montagnes, bras de mer, espaces côtiers. Le vol plané est caractéristique des grands planeurs comme les cigognes, les grues, les vautours et les aigles et c’est parce qu’ils ont besoin des ascendances thermiques provoquées par la topographie, que les voies de migration de ces grands oiseaux sont toujours situées dans des régions où les traversées marines sont les plus courtes et les conditions topographiques favorables aux ascendances thermiques (Gibraltar, détroit du Bosphore ou côtes de Palestine par exemple). Deux raisons expliquent que seules les grandes espèces pratiquent le vol plané :
l’incapacité des grands oiseaux à emmagasiner les réserves énergétiques nécessaires à un vol battu soutenu ;
l’aérodynamique du vol : les grandes espèces ont un bien meilleur rapport portance/traînée que les petites, d’où un meilleur rapport de la distance parcourue horizontalement à la distance perdue verticalement, ce qu’on appelle la « finesse ». La structure et les propriétés des ailes des grands planeurs leur permettent de planer à des vitesses qui seraient bien trop lentes pour éviter le décrochage si leurs ailes étaient aussi rigides que celles d’un avion.
Le vol battu fut une immense réussite évolutive que trois groupes seulement réussirent à maîtriser parfaitement, les ptérosaures, les chauves-souris et les oiseaux.
Un vol battu soutenu nécessite une grande force de propulsion, donc beaucoup d’énergie pour compenser la force de traînée due à la résistance de l’air, maintenir l’oiseau sur sa trajectoire et le propulser. La propulsion est assurée par le brassage de l’air que réalise l’aile lors de l’abattée. Quant au mouvement ascensionnel de l’aile qui remonte, il ne génère pas de propulsion mais une partie importante de la force de portance grâce à un mouvement de torsion de l’aile autour du poignet.
La fréquence des battements d’ailes détermine en grande partie la vitesse de l’oiseau, laquelle dépend beaucoup de l’envergure relative de l’aile, à savoir sa forme et sa taille. La fréquence varie de moins de deux battements par seconde chez la grande aigrette à plus de 80 chez beaucoup d’oiseaux-mouches et jusqu’à 200 chez le colibri-abeille (voir Figure 5A), avec une moyenne de 25-27 chez la plupart des petits passereaux.
Un vol battu très particulier est le vol stationnaire pratiqué par de nombreux oiseaux pour s’alimenter. Le spectacle du faucon crécerelle faisant le « Saint-Esprit » au-dessus d’un champ avant de fondre sur sa proie est une image familière. En réalité ce vol est techniquement assez différent d’un autre vol stationnaire, celui que pratiquent les oiseaux-mouches qui sont passés maîtres en la matière. Ce sont les seuls oiseaux qui peuvent voler « à reculons » comme un hélicoptère. Très coûteux en énergie ce vol ne peut être pratiqué que par des très petits oiseaux quand ils recherchent leur nourriture sur un substrat sur lequel ils ne peuvent se poser comme une fleur.
Se poser sur l’eau se fait selon les mêmes principes mais l’opération est plus facile car l’oiseau peut arriver bien plus vite sans risque de dommages sur son point de chute, puis glisser plus ou moins longuement en relevant ses pattes comme des skis nautiques. L’arrivée sur l’eau des très grands oiseaux comme les cygnes ou les pélicans est particulièrement gracieuse et spectaculaire.
Le trajet migratoire sans escale le plus long enregistré à ce jour est celui d’une jeune barge rousse (Figure 13) -équipée d’une balise GPS- en octobre 2022. Elle réalisa en 11 jours et 1 heure un vol battu de 13 560 kilomètres sans escale depuis l’Alaska pour rejoindre sa zone d’hivernage à Ansons Bay au nord-est de la Tasmanie. [6]
La majeure partie des altitudes de vol se situent dans les 200 premiers mètres au-dessus du sol ou de la mer mais une proportion importante des migrateurs vole entre 1400 m et 2000 m avec une queue de distribution s’élevant jusqu’à 7000 m par vents arrière favorables. Les plus hautes chaînes de montagne comme l’Himalaya sont régulièrement survolées par des oies, et le record d’altitude fut battu par un vautour de Rüppel qui se fit aspirer par un avion de ligne à 11000 m d’altitude. Voler à haute altitudeimplique des performances physiologiques qu’aucun mammifère de la taille des oiseaux migrateurs ne pourrait réaliser mais présente plusieurs avantages : la pression atmosphérique baisse avec l’altitude, ce qui augmente le rapport portance/force de traînée. Un autre avantage du vol à haute altitude est d’éviter la plupart des sautes météorologiques, bourrasques et variations brutales de la vitesse du vent comme celles du mistral qui peut souffler à plus de 100 km/h mais ne dépasse pas 3000 m en altitude. Voler à de telles altitudes ne soulève aucune difficulté d’ordre physiologique car le système respiratoire très particulier des oiseaux leur permet de voler à des températures inférieures à -15°C.
6. Pourquoi ne plus voler ?
6.1. Les manchots : des oiseaux qui « volent » sous l’eau
Le manchot royal, par exemple, « vole » sous l’eau à une vitesse de 10-15 km/h et, comme tous les manchots, peut descendre à de grandes profondeurs, jusqu’à 500 m.
Même chez les oiseaux exclusivement terrestres, la perte du vol peut être adaptative quand, pour des raisons physiques, il devient impossible, notamment lors de la phase de décollage. C’est ainsi que l’oiseau volant le plus lourd, l’outarde kori (voir Figure 5B), qui pèse une vingtaine de kilos, est au maximum de la masse possible pour voler. Si l’avantage sélectif à l’augmentation de masse corporelle se poursuit, c’est au prix d’une perte définitive de l’aptitude au vol, comme c’est le cas des grands ratites, émeus, casoars et autruches qui pèsent jusqu’à 150 kg. On a du mal à imaginer ce que devaient être la puissance et la masse musculaire des ptérosaures (voir Figure 6), ces géants qui ont régné pendant toute la durée du Mésozoïque (250 à 65 millions d’années) et qui arrivaient à décoller et à voler avec une masse de plus de 400 kg !
6.3. Les oiseaux en milieu insulaire
Il existe enfin un cas très particulier de perte de l’aptitude à voler, c’est celui de beaucoup d’oiseaux en milieu insulaire. Le revers de la médaille de la dispersion active que permet le vol est qu’elle peut devenir dangereuse quand on habite un territoire exigu, qu’on s’aventure trop loin de son habitat d’origine ou qu’on risque de se faire emporter par une tempête. En témoignent les multiples cas de réduction, voire de disparition de l’aptitude à voler observés à maintes reprises dans l’arbre de la vie, tant chez les oiseaux que chez les insectes, ainsi d’ailleurs que chez les propagules de nombreuses plantes.
Le cas des faunes et flores des îles perdues dans l’immensité des océans est particulièrement intéressant : alors que les oiseaux de ces îles reculées ont dû traverser des étendues océaniques considérables de plusieurs milliers de kilomètres pour atteindre par hasard l’île sur laquelle ils prennent pied, ils s’y trouvent en quelque sorte piégés s’ils parviennent à construire une population viable. Ils acquièrent alors peu à peu toute une série de dispositifs évolutifs dont la fonction est de les fixer au terrain qu’ils ont conquis [7]. D’où l’acquisition de comportements sédentaires puisque l’oiseau ne migre plus.
La conquête de l’air par les animaux date de plus de 200 millions d’années.
Une infinité d’organismes ont maîtrisé les techniques de vol variées depuis de minuscules hyménoptères pesant moins de 1 gramme à ces géants des airs que furent certains ptérosaures qui pesaient plus de 400 kg.
Le vol a favorisé la conquête d’une infinité d’habitats sous toutes les latitudes.
Certains groupes comme les manchots ou d’innombrables espèces insulaires ont abandonné l’aptitude au vol.
Les techniques de vol des oiseaux ont inspiré les constructeurs d’engins volants grâce à une discipline qu’on appelle le biomimétisme.
[1] Inspiré de Burton R. (1990) Birdflight: An Illustrated Study of Birds’ Aerial Mastery. ISBN-13: 978-0816024100
[2] Le synsacrum est un os pneumatique (i. e. os creux dont la cavité est remplie d’air allégeant ainsi la structure) commun aux oiseaux et aux dinosaures.
[3] Le pygostyle est un os (issu de la fusion des dernières vertèbres) présent dans le croupion des oiseaux et sur lequel se fixent les grandes plumes de la queue (ou rectrices).
[4] Les supracoracoïdes interviennent au moment où l’oiseau relève l’aile. Reliés par des tendons sur le dessus de l’humérus, ils jouent le rôle de poulies. Ainsi, lorsqu’ils se contractent, ils tirent l’aile abaissée vers le haut. Ils sont donc complémentaires aux pectoraux : quand ces derniers sont contractés, les supracoracoïdes sont détendus, et inversement.
[5] Alula : partie du plumage de l’aile des oiseaux, permettant l’augmentation de la portance et de réduire le risque de décrochage. Cela correspondrait au bec d’une aile d’avion. Ce dispositif permet, comme pour les avions, de contrôler l’écoulement des filets d’air qui doivent rester laminaires à la surface de l’aile. La vitesse réduite de ce type de vol permet d’adoucir l’atterrissage. Voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Alula_(oiseau)
[6] Marshall A. (October 27, 2022) Bird Sets Record for Nonstop 13,560km Flight. Explorer web
[7] Blondel, J. 2000. Evolution and ecology of birds on islands: trends and prospects. Vie et Milieu 50, 205-220.
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Pour compenser leur poids les gigantesques cargos qui parcourent les océans bénéficient de la poussée…
René MOREAU, Professeur émérite à Grenoble-INP, Laboratoire SIMaP (Science et Ingénierie des Matériaux et des Procédés), membre de l’Académie des sciences et de l’Académie des technologies