Colibri vol stationnaire : comment il fait du surplace

Le colibri fait du vol stationnaire en balayant l’air d’avant en arrière, ses ailes décrivant un huit presque horizontal. À chaque fin de course, l’aile pivote pour que l’aller comme le retour soutiennent l’oiseau : environ 75 % de la portance vient du battement vers l’avant, 25 % du retour, selon une étude publiée dans Nature en 2005.

Il alimente cet effort grâce à des muscles du vol exceptionnellement développés et à un métabolisme qui brûle le sucre du nectar presque aussi vite qu’il le boit.

Aucun autre groupe d’oiseaux ne sait rester immobile en l’air aussi longtemps. Pour comprendre comment, il faut regarder ses os, ses muscles, l’air autour de ses ailes et le carburant qui fait tourner le tout. Précision utile pour les lecteurs d’Europe : les colibris sauvages ne vivent qu’en Amérique, et nous expliquons plus bas quel insecte on prend souvent pour un colibri en France.

En bref : comment le colibri fait du surplace

• Trajectoire de l’aile : un huit aplati, d’avant en arrière, et non de haut en bas.
• Rotation de l’aile : l’aile se retourne au bout de chaque course, si bien que le coup de retour porte aussi.
• Répartition de la portance : environ 75 % au coup principal et 25 % au retour, selon des études en soufflerie.
• Épaule très mobile : l’articulation de l’épaule permet à l’aile de pivoter sur près de 180 degrés.
• Gros muscles : les muscles pectoraux représentent près de 30 % de la masse du colibri, contre environ 5 % chez l’être humain.
• Carburant rapide : le colibri brûle directement le sucre qu’il vient d’avaler pour voler.
• Fréquence : environ 53 battements par seconde chez le colibri à gorge rubis, et de 20 à 80 selon les espèces.

Comment bouge l’aile d’un colibri en vol stationnaire ?

L’aile ne bat pas de haut en bas comme celle d’un pigeon : elle balaie l’air en traçant un huit couché. En fin de course, l’aile pivote presque à l’envers et le retour pousse aussi l’air vers le bas. Selon une étude parue dans Nature en 2005, ce retour fournit environ 25 % de la portance.

La plupart des oiseaux battent des ailes de haut en bas. Le coup vers le bas pousse l’air vers l’arrière et vers le bas pour produire portance et poussée, et le coup vers le haut sert surtout à ramener l’aile. L’oiseau replie ou incline alors son aile pour réduire la traînée, et produit très peu de portance.

Un colibri en vol stationnaire procède autrement. Son corps se redresse, presque vertical, et ses ailes balaient l’air d’avant en arrière dans un plan à peu près horizontal. Au ralenti, le bout de l’aile dessinerait un huit aplati ou un ovale.

Au bout de chaque balayage vers l’avant, l’aile pivote brusquement pour que sa face inférieure regarde vers le haut. Elle repart alors vers l’arrière, le bord d’attaque toujours devant. Le même bord mène dans les deux sens, et l’aile attaque donc l’air avec un angle utile à l’aller comme au retour. C’est un peu comme un nageur qui godille avec la main à plat, en tournant la paume pour pousser l’eau à chaque passage.

Pourquoi le colibri porte-t-il davantage sur le coup principal ?

Longtemps, on a décrit le vol stationnaire du colibri comme celui d’un insecte, avec une portance égale dans les deux sens. Une étude de 2005, qui a suivi des particules dans le sillage de colibris roux en soufflerie, a changé cette vision : environ 75 % du poids était soutenu par le coup principal et environ 25 % par le coup de retour. Publiée dans Nature le 23 juin 2005 par Douglas Warrick, Bret Tobalske et Donald Powers, elle reposait sur la vélocimétrie par images de particules : l’air de la soufflerie était chargé de fines gouttelettes d’huile d’olive, photographiées toutes les 300 microsecondes.

Combien de battements d’ailes par seconde ?

Cela dépend de l’espèce et de la taille. Le Cornell Lab of Ornithology indique que le colibri à gorge rubis bat des ailes environ 53 fois par seconde. Futura Sciences cite une fourchette de 20 à 80 battements par seconde selon les espèces. Plus le colibri est petit, plus ses battements sont rapides, ce qui donne ce bourdonnement typique.

Le colibri géant des Andes, la plus grande espèce, bat beaucoup plus lentement, avec des ailes plus longues et une amplitude plus grande. Le tableau plus bas compare plusieurs espèces. La fréquence augmente aussi pendant les manœuvres rapides et les piqués de parade des mâles.

La raison tient sans doute à la construction de l’aile. Celle du colibri n’est pas une plaque plate et rigide : elle a des os, des articulations et des plumes, et ne peut pas se retourner aussi complètement au retour. Le colibri se situe ainsi entre les oiseaux ordinaires, qui tirent presque toute leur portance du coup vers le bas, et les insectes comme les sphinx, qui portent à peu près autant dans les deux sens.

Qu’ont de particulier les os de l’aile du colibri ?

Tout se joue à l’épaule et dans les proportions du bras. Chez la plupart des oiseaux, l’aile comprend un long bras, un long avant-bras et une main assez courte, avec des articulations à l’épaule, au coude et au poignet qui fléchissent en vol.

Chez le colibri :

• L’humérus, l’os du bras, est très court et trapu.
• Le coude et le poignet bougent relativement peu en vol ; l’aile reste assez rigide.
• Les os de la main sont longs, et les rémiges primaires qui y sont fixées forment l’essentiel de la surface de l’aile.
• L’articulation de l’épaule a une forme inhabituelle qui permet à l’aile de pivoter selon un angle très large, proche de 180 degrés.

Comme l’essentiel du mouvement vient de l’épaule, l’aile entière fonctionne comme une seule pale que l’oiseau balance et fait tourner. C’est ce qui permet le retournement net au bout de chaque course.

Pourquoi les rémiges sont-elles si importantes ?

Les rémiges primaires forment une surface rigide et profilée. Leur forme et leur chevauchement aident l’aile à garder son profil malgré les forces élevées des battements rapides. Chez beaucoup d’espèces, les mâles ont aussi des plumes externes de forme particulière qui produisent un sifflement ou un bourdonnement en vol ou lors des piqués de parade : on entend souvent un colibri avant de le voir.

Quelle est la puissance des muscles du vol ?

Énorme pour un oiseau de quelques grammes. D’après Futura Sciences, les muscles pectoraux représentent près de 30 % de la masse totale d’un colibri, contre environ 5 % chez l’être humain. Ce sont eux qui assurent à la fois le battement vers l’avant et le retour, alors que chez la plupart des oiseaux le retour demande peu d’effort.

Leur répartition est elle aussi remarquable. Chez la plupart des oiseaux, le grand muscle pectoral qui abaisse l’aile est bien plus gros que le muscle qui la relève, le supracoracoïdien, souvent réduit à une petite fraction du premier.

Chez le colibri, le muscle releveur est relativement gros, souvent environ la moitié du muscle abaisseur, ce qui colle avec un coup de retour qui travaille vraiment. Ensemble, les muscles du vol peuvent représenter environ 25 à 30 % de la masse du colibri, l’une des proportions les plus élevées chez les oiseaux.

Ces muscles sont bourrés de mitochondries, les centrales énergétiques des cellules, et richement irrigués. Le cœur est gros pour la taille de l’oiseau et peut battre bien au-delà de 1 000 fois par minute en activité. La respiration est elle aussi très rapide.

D’où vient l’énergie du vol stationnaire ?

Du sucre du nectar, brûlé presque aussitôt. Des chercheurs de l’université de Californie à Santa Barbara, Kenneth Welch et Raul Suarez, ont montré qu’environ 20 minutes après un repas sucré, les colibris couvrent plus de 90 % des besoins du vol stationnaire avec ce sucre. Un cycliste de haut niveau n’en tire que 15 à 30 % de son énergie.

Le vol stationnaire coûte extrêmement cher. Rapporté à sa taille, le colibri dépense de l’énergie à l’un des rythmes les plus élevés mesurés chez un vertébré. Il y répond avec du sucre.

Les recherches ont montré que le colibri en vol stationnaire peut alimenter l’essentiel de son vol directement avec le sucre qu’il vient d’avaler, en passant rapidement du nectar frais à ses réserves. La plupart des animaux, humains compris, ne peuvent utiliser qu’une part modeste du sucre fraîchement ingéré pour un effort intense. Le colibri, lui, fait passer le sucre de l’intestin au sang puis aux muscles avec une efficacité exceptionnelle.

D’où l’importance du nectar. Un colibri à gorge rubis peut se nourrir toutes les 10 à 15 minutes pendant la journée, en visitant de nombreuses fleurs et abreuvoirs. Il mange aussi de petits insectes et des araignées pour les protéines, les graisses et d’autres nutriments, surtout quand il nourrit ses petits. Notre guide recette de nectar pour colibris explique pourquoi la proportion classique de quatre volumes d’eau pour un de sucre est proche de ce que fournissent beaucoup de fleurs.

La nuit, il économise son énergie en entrant en torpeur, un état profond proche du sommeil, comme l’explique les colibris dorment-ils.

Comment le colibri reste-t-il parfaitement immobile en l’air ?

Tenir sa position n’est pas qu’une question de puissance : il faut un contrôle constant et précis. Le colibri surveille sa dérive avec les yeux, corrige l’angle et le rythme de ses ailes, se sert de sa queue comme gouvernail et garde la tête presque fixe, si bien que son bec reste pointé sur la fleur.

Quatre mécanismes travaillent ensemble.

1. La vue : le colibri utilise les indices visuels de mouvement pour détecter sa dérive. Des expériences en tunnel de vol suggèrent qu’il est très sensible aux changements de taille et de position apparentes des motifs autour de lui, et qu’il corrige vite.
2. Les réglages de l’aile : de minuscules changements d’angle, d’amplitude et de rythme lui permettent de se décaler à gauche, à droite, en avant ou en arrière.
3. La queue : elle s’étale et s’incline pour diriger et freiner, surtout lors des virages brusques.
4. La stabilisation de la tête : comme beaucoup d’oiseaux, il garde la tête remarquablement fixe pendant que le corps s’ajuste, ce qui garde les yeux et le bec sur la fleur.

Ce contrôle permet des prouesses qui semblent impossibles : faire du surplace dans le vent, se nourrir sur une fleur qui se balance, reculer hors d’une corolle ou filer de côté pour chasser un rival.

Tous les colibris font-ils du surplace de la même façon ?

La méthode est la même, mais la taille change les détails. On compte plus de 360 espèces de colibris, toutes américaines, de l’Alaska à la Terre de Feu. Toutes balaient l’air en huit, mais les plus petites battent des ailes bien plus vite, tandis que le colibri géant des Andes bat lentement et amplement.

Les petites espèces battent en général des ailes plus vite. Le colibri géant, à peu près de la taille d’un étourneau, a un battement bien plus lent et plus ample, et plane parfois entre deux fleurs, ce que les petits colibris font rarement. Les espèces de haute altitude des Andes affrontent un air raréfié qui complique le vol stationnaire ; les études suggèrent qu’elles compensent par des ailes plus grandes pour leur taille et une plus grande amplitude de battement.

Pour les espèces du Canada et des États-Unis, voyez nos fiches sur le colibri à gorge rubis et le colibri d’Anna.

Pourquoi les grands oiseaux ne peuvent-ils pas faire comme les colibris ?

C’est une question d’échelle. Quand un animal grandit, son poids augmente plus vite que la surface de ses ailes et plus vite que la puissance que ses muscles peuvent fournir par rapport à ce poids. Or la puissance nécessaire pour maintenir un corps immobile en l’air, en poussant assez d’air vers le bas, grimpe fortement avec la masse.

Pour un très petit oiseau, le calcul tient : les muscles peuvent tout juste fournir la puissance nécessaire en air calme. Pour un pigeon, un goéland ou un aigle, il ne tient plus. Il leur faudrait des muscles ou des battements impossibles pour tenir plus d’un instant. Ils comptent donc sur la vitesse, car l’air qui file sur les ailes produit la portance à bien moindre coût, ou sur le vent, comme le faucon crécerelle.

C’est pourquoi le vol stationnaire prolongé est apparu chez de tout petits animaux : colibris, nombreux insectes et quelques chauves-souris nectarivores. Cela explique aussi que le colibri géant, autour de 20 g, soit proche de la taille maximale d’un colibri.

Les colibris peuvent-ils faire du surplace dans le vent et la pluie ?

Oui, dans certaines limites. Des études en soufflerie et sous pluie simulée suggèrent que le colibri ajuste l’angle de son corps, la position de sa queue et ses battements pour faire face aux turbulences, et que le vol stationnaire coûte plus cher par vent irrégulier.

Sous forte pluie, des chercheurs ont observé des colibris accélérant leurs battements, changeant de posture et s’ébrouant par de rapides torsions, même en vol.

En pratique, les colibris attendent souvent la fin des gros orages perchés à l’abri, puis se nourrissent intensément dès que la pluie faiblit.

Comment le colibri décolle-t-il et se pose-t-il ?

La plupart des oiseaux sautent en l’air grâce à leurs pattes avant que les ailes prennent le relais. Le colibri a des pattes minuscules, et les études suggèrent qu’il produit l’essentiel de la force de décollage avec ses ailes, en commençant à battre avant de quitter le perchoir. Il semble ainsi s’élever tout droit plutôt que bondir.

L’atterrissage est tout aussi précis : l’oiseau ralentit en redressant le corps, en augmentant l’amplitude des battements et en étalant la queue, puis pose les pieds sur le perchoir presque sans rebond.

Le colibri peut-il voler en marche arrière ?

Oui, et c’est une exception chez les oiseaux. D’après Futura Sciences, seul le groupe des colibris est réellement capable de voler en arrière de façon contrôlée. Il incline le plan de battement de ses ailes vers l’arrière et ajuste l’angle de l’aile à chaque coup. Cela lui sert surtout à reculer hors d’une fleur après avoir bu.

D’autres oiseaux peuvent se retrouver brièvement le corps à l’envers, mais sans tenir un vrai vol contrôlé vers l’arrière. Le colibri, lui, combine cette marche arrière avec le surplace et le vol de côté, grâce à la même épaule très mobile et aux mêmes muscles puissants.

Le faucon crécerelle fait-il du vol stationnaire comme le colibri ?

Pas de la même façon. La crécerelle « fait le Saint-Esprit » de préférence face au vent, en alternant battements rapides et petits ajustements pour rester au même point. Le colibri, lui, tient aussi en air calme, grâce à son battement en huit qui porte dans les deux sens. C’est ce qui en fait le champion du surplace.

Futura Sciences classe la crécerelle et les sternes parmi les oiseaux qui pratiquent un vol stationnaire avec battements d’ailes, à côté d’insectes comme les syrphes et les libellules. Les autres oiseaux restent moins longtemps immobiles et y mettent plus d’effort. Seuls les colibris tiennent un véritable vol stationnaire prolongé en air calme. Les autres oiseaux s’y prennent de deux façons.

Le surplace face au vent

Le faucon crécerelle, bien connu en France au-dessus des talus et des bords de route, se place face au vent et bat des ailes ou reste suspendu pendant qu’il scrute le sol. Le vent fait l’essentiel du travail : sa vitesse dans l’air égale celle du vent, et sa vitesse au sol est presque nulle. La buse pattue et certaines buses font de même. La crécerelle d’Amérique pratique la même technique outre-Atlantique.

De courts épisodes de vol stationnaire battu

Le martin-pêcheur pie, en Afrique et en Asie, fait du surplace au-dessus de l’eau avant de plonger et compte parmi les plus grands oiseaux capables de le faire sans l’aide du vent. Les sternes font un bref surplace avant de piquer. Les souimangas d’Afrique et d’Asie, qui occupent une niche proche de celle des colibris, se perchent en général pour butiner mais font parfois un bref surplace devant une fleur. Certains gobe-mouches et pouillots font aussi un court surplace pour cueillir un insecte sur une feuille.

Y a-t-il des colibris en France ?

Non. Les colibris sauvages ne vivent que sur le continent américain, de l’Alaska à la Terre de Feu. En Europe, vous pourrez en voir dans certains zoos et parcs animaliers, mais aucun ne vit en liberté. L’insecte qui fait du surplace devant la lavande de votre jardin est presque toujours un papillon, le moro-sphinx.

Cet article s’adresse donc aussi aux lecteurs du Québec et d’Amérique latine, qui en observent chez eux, et aux voyageurs qui en croiseront au Canada, au Mexique ou dans les Andes.

Si vous pensez avoir vu un « colibri » butiner la lavande ou le jasmin de votre jardin en France, en Belgique ou en Suisse, il s’agit presque toujours du moro-sphinx (Macroglossum stellatarum). Ce papillon de jour fait du surplace devant les fleurs, déroule une longue trompe pour boire le nectar et produit un léger bourdonnement, avec des ailes si rapides qu’elles paraissent floues. Il se reconnaît à ses antennes, à ses ailes postérieures orangées et à son corps gris-brun à l’arrière évasé. Sa ressemblance avec le colibri est un exemple classique d’évolution convergente : deux animaux sans lien de parenté arrivés à la même solution pour le même problème. Le moro-sphinx est la preuve que la physique du vol stationnaire décrite ici fonctionne aussi à l’échelle d’un insecte.

Ce que cela change pour les observateurs des Amériques

Si vous vivez là où les colibris nichent, au Québec par exemple, ou si vous en recevez en voyage, voici comment les aider.

• Gardez le nectar frais et propre. Un oiseau qui brûle son énergie aussi vite dépend d’une nourriture fiable et saine. Changez le nectar tous les quelques jours par temps chaud, et voyez notre guide des abreuvoirs à colibris faciles à nettoyer.
• Plantez des fleurs tubulaires indigènes. Au Québec et dans l’est du Canada, la monarde, la lobélie du cardinal et le chèvrefeuille grimpant indigène offrent le nectar avec lequel ces oiseaux ont évolué.
• Ajoutez des perchoirs. Quelques rameaux nus près des abreuvoirs leur permettent de se poser, digérer et surveiller leur coin.
• Évitez les pesticides. Les insectes sont indispensables à leur régime, surtout pour les poussins.

Idées reçues sur le vol des colibris

Idée reçue : les colibris font du surplace exactement comme les insectes. Réalité : ils font pivoter leurs ailes dans les deux sens comme les insectes, mais tirent nettement plus de portance du coup principal.

Idée reçue : les colibris ne se posent jamais. Réalité : ils se perchent souvent, parfois longtemps, pour se reposer, digérer et surveiller leur territoire. Se percher économise beaucoup d’énergie.

Idée reçue : les colibris ne peuvent pas marcher. Réalité : leurs pattes sont minuscules et ils ne marchent ni ne sautillent vraiment, mais ils peuvent se déplacer de côté le long d’un perchoir.

Idée reçue : les colibris migrent sur le dos des oies. Réalité : cette vieille légende n’a aucun fondement. Le colibri à gorge rubis vole seul, et beaucoup traversent le golfe du Mexique sans escale.

L’essentiel en quelques points

• Le colibri fait du surplace en balayant l’air d’avant en arrière selon un huit aplati.
• L’aile se retourne au bout de chaque course, si bien que le retour porte aussi.
• Environ 75 % de la portance vient du coup principal, selon une étude en soufflerie publiée dans Nature en 2005.
• L’essentiel du mouvement vient d’une épaule très mobile.
• Les muscles pectoraux représentent près de 30 % de la masse du colibri.
• Le colibri à gorge rubis bat des ailes environ 53 fois par seconde.
• Le cœur peut dépasser 1 000 battements par minute en activité.
• Tous les colibris vivent en Amérique ; en Europe, c’est le moro-sphinx qu’on prend pour un colibri.

Sources

• Warrick, D. R., Tobalske, B. W. et Powers, D. R. (2005). Aerodynamics of the hovering hummingbird. Nature
• Anna’s Hummingbird overview - Cornell Lab of Ornithology, All About Birds
• Oiseaux.net, fiches des espèces d’oiseaux du monde
• LPO, Ligue pour la protection des oiseaux
• ScienceDaily : Hummingbirds’ hovering flight (2005), résumé de l’étude de Nature
• Ruby-throated Hummingbird overview - Cornell Lab of Ornithology, All About Birds
• Futura Sciences : cette espèce d’oiseau est la seule à pouvoir voler à l’envers
• Futura Sciences : vol stationnaire, définition
• Live Science : The secret of hummingbirds’ amazing energy