Pourquoi les oiseaux volent-ils en V ? La science de l'économie d'énergie

Pourquoi les oiseaux volent en V ? Surtout pour économiser de l’énergie. Chaque aile qui bat laisse derrière son extrémité un tourbillon d’air, et juste à l’extérieur de ce tourbillon, l’air remonte. Un oiseau placé légèrement en arrière et sur le côté de celui qui le précède profite de cet air ascendant et fournit moins d’effort, comme l’a montré en 2014 une étude sur l’ibis chauve publiée dans Nature. La forme en V permet aussi à chacun de voir l’oiseau de devant, ce qui aide la bande à rester groupée.

C’est la réponse courte. La réponse longue est plus passionnante, car pendant des décennies, l’idée d’une économie d’énergie est restée surtout théorique. Il a fallu attendre les années 2000 et 2010 pour que des chercheurs mesurent le vol en formation chez de vrais oiseaux, grâce à des cardiofréquencemètres et à de minuscules enregistreurs de données. Ils ont découvert que les oiseaux font quelque chose de remarquablement précis.

Réponse rapide : les deux grandes raisons du V

• L’aérodynamique. Les oiseaux se placent dans l’air ascendant issu du bout d’aile de l’oiseau de devant, ce qui réduit le coût énergétique du vol.
• La visibilité et la coordination. Voler en diagonale permet à chacun de bien voir l’oiseau qui le précède, de garder une distance sûre et de suivre les changements de direction.
• Qui le fait : surtout de grands oiseaux sur de longs trajets, comme les oies, les grues, les cygnes, les pélicans, les cormorans et les ibis.
• Les vraies formes sont imparfaites : V déséquilibrés, formes en J et lignes en diagonale (échelons) sont plus fréquents que les chevrons parfaits.

Comment l’aile d’un oiseau offre-t-elle de la portance « gratuite » à celui qui suit ?

Pour comprendre l’intérêt du V, il faut savoir ce qu’une aile fait à l’air qui l’entoure.

Tourbillons marginaux, déflexion vers le bas et air ascendant

L’aile d’un oiseau produit de la portance en créant une pression plus basse au-dessus de l’aile et plus haute en dessous. Au bout de l’aile, l’air à haute pression du dessous s’enroule vers le dessus, où la pression est plus faible. Comme l’oiseau avance, ce mouvement forme derrière lui un tube d’air en rotation, appelé tourbillon marginal.

Juste derrière l’aile, l’air est poussé vers le bas. Voler exactement derrière un autre oiseau placerait donc le suiveur dans de l’air descendant, ce qui rend le vol plus pénible. Mais juste à l’extérieur de chaque bout d’aile, le tourbillon pousse l’air vers le haut. Un suiveur dont l’aile se trouve dans cet air ascendant gagne un peu de portance et peut battre des ailes moins fort pour le même résultat.

La forme en V est simplement ce qu’on obtient quand chaque oiseau d’une file cherche à placer son aile dans l’air ascendant de celui qui le précède : chacun se met en retrait et sur le côté du suivant, ce qui forme une diagonale. Deux diagonales qui se rejoignent derrière un meneur dessinent un V.

Les avions produisent le même type de tourbillons. C’est pourquoi les contrôleurs aériens espacent soigneusement les appareils au décollage et à l’atterrissage : les tourbillons d’un gros avion de ligne peuvent déstabiliser un petit avion qui les traverse.

Pourquoi le battement d’ailes complique tout

Pour un avion à voilure fixe, le tourbillon derrière chaque bout d’aile est assez stable. Chez un oiseau qui bat des ailes, c’est différent. Le bout de l’aile monte et descend à chaque battement, si bien que la traînée d’air ascendant forme une onde, pas une ligne droite. Pour en profiter, le suiveur doit être au bon endroit et, idéalement, battre des ailes en suivant cette onde d’air montant.

Pendant longtemps, beaucoup de scientifiques ont douté que les oiseaux puissent le faire avec assez de précision pour que cela compte. Puis est arrivée l’étude sur les ibis.

Qu’a révélé l’expérience sur les ibis ?

En 2014, une équipe dirigée par Steven Portugal a publié dans Nature une étude sur l’ibis chauve, une espèce menacée. Les oiseaux avaient été élevés par des humains en Autriche dans le cadre d’un projet de conservation visant à rétablir une route migratoire, et ils volaient derrière un ULM qui les guidait vers le sud, jusqu’en Italie. Ce dispositif a permis de les équiper de petits enregistreurs mesurant leur position par GPS et leurs mouvements d’ailes par accéléromètre, plusieurs fois par seconde.

Les résultats ont montré deux choses frappantes :

1. Les oiseaux se plaçaient dans la zone idéale prévue. Les ibis suiveurs volaient à peu près à l’angle et à la distance où les modèles aérodynamiques situaient l’air ascendant le plus fort.
2. Les oiseaux calaient leurs battements sur l’air. En V, ils synchronisaient leurs battements pour que le bout de leur aile suive la même trajectoire dans l’air que celui de l’oiseau de devant, ce qui tire le meilleur parti de l’air ascendant. Quand un oiseau volait juste derrière un autre, dans l’air descendant, il passait à un battement en opposition de phase, apparemment pour réduire l’effet de cet air qui plonge.

Ce niveau de coordination a surpris beaucoup de chercheurs. Il suggère que les oiseaux perçoivent les courants d’air créés par leurs voisins, ou du moins qu’ils apprennent où le vol est le plus facile, et qu’ils ajustent leur position et leur rythme en conséquence.

Les oiseaux se relaient-ils en tête ?

Une étude complémentaire sur la même population d’ibis, publiée dans PNAS en 2015, s’est intéressée aux meneurs. Elle a montré que les oiseaux changeaient souvent de place, et que des paires d’oiseaux se relayaient en tête l’un devant l’autre. Chaque individu équilibrait à peu près le temps passé à la place la plus pénible, devant, avec le temps passé à suivre. Les chercheurs y ont vu une forme de coopération fondée sur la réciprocité.

Cela conforte une idée ancienne selon laquelle les oiseaux en formation se partagent l’effort de la tête. On le dit souvent des oies et c’est plausible, mais les preuves directes les plus solides concernent les ibis.

Comment les oiseaux trouvent-ils la bonne place ?

Personne ne le sait exactement, et c’est l’une des questions ouvertes du domaine. Les résultats sur les ibis suggèrent que les oiseaux perçoivent de subtiles variations du flux d’air sur leurs ailes et leur corps, et ajustent leur position jusqu’à ce que le vol leur paraisse le plus facile, un peu comme un cycliste apprend où l’aspiration derrière un autre coureur est la plus forte. Les plumes sont reliées à des récepteurs sensibles dans la peau, si bien que les oiseaux sont bien équipés pour sentir les mouvements d’air. L’expérience compte sans doute aussi. Les ibis de l’étude étaient de jeunes oiseaux lors de leur première migration : trouver la bonne place ne demande donc pas des années de pratique, même si cela s’améliore peut-être avec le temps. Pour l’instant, le mécanisme de détection de l’air ascendant reste une hypothèse.

Les oiseaux économisent-ils vraiment de l’énergie en formation ?

Oui, d’après les observations de terrain, mais sans doute moins que ne le promettaient les premières théories.

L’étude du rythme cardiaque des pélicans

En 2001, une équipe dirigée par Henri Weimerskirch a publié dans Nature une étude sur des pélicans blancs au Sénégal, entraînés à voler derrière un bateau et un ULM. Les oiseaux portaient des cardiofréquencemètres. Les pélicans volant en formation avaient un rythme cardiaque plus bas que ceux qui volaient seuls, et ils passaient plus de temps à planer qu’à battre des ailes. Un rythme cardiaque plus bas est un bon indicateur d’un effort moindre. Les oiseaux de tête, sans personne devant pour leur fournir de l’air ascendant, travaillaient le plus.

Et le fameux chiffre de « 70 % » ?

Une étude théorique publiée dans Science en 1970 a calculé qu’une bande de 25 oiseaux dans un V idéal pourrait voler environ 70 % plus loin qu’un oiseau seul avec la même énergie. Ce chiffre a été repris partout. Des chercheurs ont depuis souligné que le calcul supposait des ailes fixes idéalisées et un placement parfait, ce que de vrais oiseaux qui battent des ailes ne peuvent pas tenir en permanence. Les rafales, les virages, les oiseaux qui rejoignent ou quittent la bande et les variations du battement réduisent tous les économies.

Le meilleur résumé actuel : le vol en formation fait bien économiser de l’énergie, les données sur les pélicans comme sur les ibis le confirment, mais le gain réel dans une bande sauvage est probablement plus modeste que le chiffre des manuels, et il varie d’un instant à l’autre.

L’économie d’énergie est-elle la seule raison ?

Probablement pas. Une seconde explication, compatible avec la première, tient à la vue et à la cohésion du groupe.

L’hypothèse de la visibilité

Beaucoup d’oiseaux ont les yeux placés sur les côtés de la tête. Voler en biais derrière l’oiseau de devant donne à chacun une vue dégagée sur son voisin, sans devoir regarder droit devant par-delà un autre corps. Cela facilite :

• le maintien d’une distance sûre pour éviter les collisions ;
• le suivi des changements de vitesse et de direction du meneur ;
• la cohésion de la bande sur de longues distances, dans le brouillard et la nuit.

Certains chercheurs estiment que chez certaines espèces, ce bénéfice de coordination compte autant que le gain aérodynamique. Les deux explications ne s’opposent pas : une formation qui garde tout le monde en vue tout en économisant de l’énergie est doublement utile. Notre article sur pourquoi les oiseaux se regroupent détaille les avantages sociaux et de sécurité du vol en groupe en général.

Pourquoi les oies et les grues crient-elles en vol ?

Les oies cacardent et les grues cendrées « claironnent » souvent en vol. On pense largement que ces cris aident les membres du groupe à rester en contact, surtout par mauvaise visibilité et la nuit. Oies et grues migrent en familles, et les cris aident probablement parents et jeunes à ne pas se perdre. Savoir si ces cris coordonnent précisément les positions dans le V est moins clair.

Quels oiseaux volent en V, et lesquels non ?

Pourquoi les petits oiseaux ne volent-ils pas en V ?

Les petits oiseaux comme les pinsons, les moineaux ou les fauvettes battent des ailes rapidement, souvent en vol ondulé avec de courtes phases ailes fermées, et produisent des tourbillons plus faibles et plus irréguliers. Il leur serait très difficile de tenir les positions précises nécessaires pour exploiter l’air ascendant. Beaucoup de petits passereaux migrent aussi de nuit, souvent seuls ou en groupes lâches dispersés dans le ciel. Leur stratégie de groupe relève de la sécurité du nombre plutôt que de l’aérodynamique.

L’étourneau sansonnet adopte une approche totalement différente, avec d’immenses bandes fluides où chaque oiseau suit une poignée de voisins proches. Notre article sur ce qu’est une murmuration explique ce fonctionnement.

Tous les grands migrateurs volent-ils en V ?

Non. Beaucoup des plus grands migrateurs, comme la sterne arctique, les limicoles et les petits passereaux, ne volent pas en V serré. Certains limicoles volent en bandes rapides et compactes. Les rapaces et les cigognes blanches utilisent souvent les courants thermiques ascendants pour planer au lieu de battre des ailes, une autre manière d’économiser de l’énergie. Nos articles sur la distance parcourue par les migrateurs et sur l’oiseau qui migre le plus loin présentent les champions.

Pourquoi certains V sont-ils déséquilibrés ?

Regardez attentivement un vol d’oies ou de grues qui passe et vous verrez souvent un V dont une branche est bien plus longue que l’autre, une forme en J ou une simple ligne en diagonale. C’est normal. Les oiseaux changent sans cesse de position, reculent pour souffler, avancent ou passent de l’autre côté. Les retardataires s’accrochent à une branche. Le vent de travers et les virages déforment aussi la figure.

Une vieille blague demande pourquoi un côté du V est plus long que l’autre, avec pour chute : « parce qu’il y a plus d’oiseaux de ce côté ». Elle n’a pas tort.

Le meneur est-il toujours le plus fort ou le plus âgé ?

On l’affirme souvent, mais c’est peu étayé. Chez les ibis étudiés, la tête était partagée. Dans les familles d’oies ou de grues, les adultes mènent peut-être plus souvent, ce qui paraît logique puisqu’ils connaissent la route, mais les détails varient et ont été moins étudiés qu’on ne le dit parfois.

Les ingénieurs ont-ils copié le vol en V ?

Oui. Les ingénieurs aéronautiques ont testé le vol en formation avec des avions pour profiter du même air ascendant. La NASA et d’autres ont mené des programmes de recherche sur le sujet, et en 2021, Airbus a fait état d’essais en vol où un avion volant dans le sillage d’un autre économisait de l’ordre de 5 % de carburant. Une utilisation commerciale se heurte encore à des défis pratiques, dont les distances de sécurité et le contrôle aérien, mais le principe est celui que les oies ont découvert il y a bien longtemps.

Idées reçues sur le vol en V

Idée reçue : les oiseaux en V économisent environ 70 % de leur énergie. En réalité, ce chiffre vient d’un modèle théorique de 1970. Les économies réelles semblent plus faibles, mais mesurables.

Idée reçue : l’oie de tête mène pendant tout le trajet. En réalité, les données sur les ibis montrent que les oiseaux se relaient souvent en tête, et on pense qu’il en va de même chez les oies.

Idée reçue : tous les migrateurs volent en V. En réalité, le V concerne surtout de grands oiseaux aux vols longs et réguliers. La plupart des petits oiseaux migrent en groupes lâches, souvent de nuit.

Idée reçue : les oiseaux en V suivent un seul navigateur. En réalité, des oiseaux expérimentés guident peut-être la route, mais les positions changent sans cesse et la navigation est une affaire collective. Notre article sur comment les oiseaux savent où migrer explique comment ils s’orientent.

Qu’est-ce que cela change pour l’observateur ?

• Servez-vous de la forme du vol pour identifier. Un long V bien ordonné de grands oiseaux, haut dans le ciel au printemps ou à l’automne, correspond le plus souvent à des oies ou à des grues cendrées, qui traversent la France chaque année entre le nord-est de l’Europe et l’Espagne. Des lignes basses au-dessus de l’eau évoquent plutôt des cormorans. Des bandes lâches au vol ondulé sont en général de petits passereaux. Notre guide pour identifier les oiseaux montre comment combiner silhouette et comportement avec d’autres indices.
• Écoutez autant que vous regardez. Oies et grues crient sans cesse en vol, et on entend souvent un vol avant de le voir.
• Observez le V se transformer. Aux jumelles, vous verrez souvent des oiseaux changer de place, reculer ou passer sur l’autre branche.
• Notez ce que vous voyez. Compter les vols qui passent et les saisir dans eBird ou dans Faune-France, la base participative animée par la LPO, aide les chercheurs à suivre le calendrier des migrations. Notre guide pour utiliser eBird explique comment faire.

Erreurs fréquentes

• Croire que tout V d’oiseaux sombres est un vol d’oies. Les cormorans et les ibis volent selon des formes similaires.
• S’attendre à un V parfait. Les formations irrégulières sont la norme.
• Oublier le son. Pour un vol très haut, le cri est souvent le chemin le plus rapide vers l’identification.

En bref

• Une aile qui bat laisse un tourbillon derrière chaque extrémité, avec de l’air ascendant juste à l’extérieur.
• En V, chaque oiseau vole en arrière et sur le côté de celui qui le précède pour profiter de cet air.
• Une étude de 2014 publiée dans Nature a montré que les ibis chauves se plaçaient dans l’air ascendant et calaient leurs battements dessus.
• Une étude de 2015 a montré que les ibis se relayaient en tête.
• Les pélicans blancs en formation avaient un rythme cardiaque plus bas que ceux qui volaient seuls.
• Le chiffre de 70 % vient d’un modèle théorique de 1970, jugé optimiste.
• Le V aide aussi les oiseaux à se voir et à éviter les collisions.
• Ce sont surtout de grands oiseaux qui volent en V : oies, grues, cygnes, pélicans, cormorans et ibis.

Sources

• Portugal, S. J., et al. (2014). Upwash exploitation and downwash avoidance by flap phasing in ibis formation flight. Nature
• Voelkl, B., et al. (2015). Matching times of leading and following suggest cooperation through direct reciprocity during V-formation flight in ibis. PNAS
• Faune-France, base de données naturaliste participative
• LPO, Ligue pour la protection des oiseaux
• Oiseaux.net, fiches espèces