Waarom vliegen vogels in een V-vorm? Zo besparen ze energie

Waarom vliegen vogels in een V-vorm? Vooral om energie te besparen. Elke klappende vleugel laat achter de punt een draaiende luchtwervel achter, en net buiten die wervel beweegt de lucht omhoog. Een vogel die iets achter en naast zijn voorganger vliegt, kan op die opstijgende lucht meeliften en heeft minder moeite om in de lucht te blijven, zoals een studie in Nature uit 2014 bij heremietibissen liet zien. De V-vorm zorgt er ook voor dat elke vogel zijn voorganger kan zien, wat de groep helpt bij elkaar te blijven.

Dat is het korte antwoord. Het lange antwoord is interessanter, want tientallen jaren lang was het idee van energiebesparing vooral theorie. Pas in de jaren 2000 en 2010 lukte het onderzoekers om formatievliegen bij echte vogels in de lucht te meten, met hartslagmeters en piepkleine dataloggers. Ze ontdekten dat de vogels iets opvallend nauwkeurigs doen.

Kort antwoord: de twee hoofdredenen voor een V

• Aerodynamica. Vogels zoeken de opstijgende lucht achter de vleugelpunt van hun voorganger op, waardoor vliegen minder energie kost.
• Zicht en coördinatie. Door schuin achter de voorganger te vliegen, ziet elke vogel die goed, houdt hij een veilige afstand en volgt hij veranderingen van richting.
• Wie doet het: vooral grote vogels op lange vluchten, zoals ganzen, kraanvogels, zwanen, pelikanen, aalscholvers en ibissen.
• Echte vormen zijn rommelig: scheve V’s, J-vormen en enkele schuine lijnen (echelons) zie je vaker dan perfecte V’s.

Hoe maakt de vleugel van een vogel “gratis” lift voor de vogel erachter?

Om te begrijpen waarom een V helpt, moet je weten wat een vleugel met de lucht eromheen doet.

Vleugeltipwervels, neerwaartse en opwaartse luchtstroom

Een vleugel levert lift door boven de vleugel een lagere luchtdruk te maken dan eronder. Bij de vleugelpunt krult lucht met hogere druk van onderen naar de lagere druk bovenop. Terwijl de vogel vooruit vliegt, sleept die krullende beweging achter hem aan als een draaiende luchtbuis: een vleugeltipwervel.

Direct achter de vleugel zelf wordt de lucht naar beneden gedrukt. Dat heet neerwaartse luchtstroom, en een vogel die recht achter een andere vliegt, zit in dalende lucht. Dat maakt vliegen zwaarder. Maar net buiten elke vleugelpunt duwt de draaiende wervel de lucht omhoog. Dat is de opwaartse luchtstroom. Een volger met zijn vleugel in die stijgende lucht krijgt een beetje extra lift en hoeft dus minder hard te klappen voor hetzelfde resultaat.

De V-vorm is simpelweg wat je krijgt als elke vogel in een rij zijn vleugel in de opwaartse luchtstroom van zijn voorganger probeert te houden: elke vogel zit iets achter en opzij van de volgende, en zo ontstaat een schuine lijn. Twee van die lijnen die bij een voorste vogel samenkomen, vormen een V.

Vliegtuigen maken dezelfde soort wervels. Daarom houden luchtverkeersleiders bij opstijgen en landen zorgvuldig afstand aan tussen vliegtuigen. De wervels achter een groot straalvliegtuig kunnen sterk genoeg zijn om een kleiner toestel dat erin vliegt uit balans te brengen.

Waarom klappen het lastig maakt

Bij een vliegtuig met vaste vleugels is de wervel achter elke vleugelpunt vrij stabiel. Bij een klappende vogel ligt dat anders. De vleugelpunt gaat bij elke slag op en neer, dus het spoor van opstijgende lucht dat hij achterlaat, is golvend en niet recht. Om er voordeel van te hebben, moet een volgende vogel op precies de juiste plek zitten en het liefst zo klappen dat hij het golvende patroon van stijgende lucht volgt.

Lange tijd twijfelden veel wetenschappers of vogels dat nauwkeurig genoeg konden om er echt iets aan te hebben. Toen kwam het onderzoek met de ibissen.

Wat leerden wetenschappers van het ibisexperiment?

In 2014 publiceerde een team onder leiding van Steven Portugal een studie in Nature over de heremietibis, een bedreigde soort die ook waldrapp heet. De vogels waren in Oostenrijk door mensen grootgebracht in het kader van een beschermingsproject om een oude trekroute te herstellen, en ze vlogen achter een ultralicht vliegtuigje dat hen zuidwaarts naar Italië leidde. Daardoor konden de onderzoekers de vogels uitrusten met kleine dataloggers die vele keren per seconde de positie via gps en de vleugelbewegingen via versnellingsmeters vastlegden.

De resultaten lieten twee opvallende dingen zien:

1. De vogels zochten de voorspelde ideale plek op. Volgende ibissen vlogen meestal ongeveer onder de hoek en op de afstand waar aerodynamische modellen de sterkste opwaartse luchtstroom voorspelden.
2. De vogels stemden hun vleugelslag af op de lucht. In de V klapten de vogels zo dat hun vleugelpunt hetzelfde pad door de lucht volgde als de vleugelpunt van hun voorganger, een patroon dat de stijgende lucht optimaal benut. Als een vogel recht achter een andere vloog, in de dalende lucht, klapte hij juist in tegenfase, kennelijk om het effect van die dalende lucht te beperken.

Die mate van afstemming verraste veel onderzoekers. Het suggereert dat vogels de luchtstroom van hun buren kunnen voelen, of op zijn minst kunnen leren waar vliegen het makkelijkst gaat, en hun positie en ritme daarop aanpassen.

Wisselen de vogels elkaar af aan de kop?

Een vervolgstudie bij dezelfde groep ibissen, in 2015 gepubliceerd in PNAS, keek wie er voorop vloog. De vogels wisselden vaak van plaats, en tweetallen vogels namen om beurten de kop van elkaar over. Individuen hielden de tijd op de zware voorste positie ruwweg in evenwicht met de tijd dat ze konden volgen. De onderzoekers beschreven het als een vorm van samenwerking op basis van wederkerigheid.

Dat ondersteunt het oude idee dat vogels in formatie de last van het kopwerk delen. Van ganzen wordt dat ook vaak gezegd en het is aannemelijk, maar het directe bewijs is het sterkst voor de ibissen.

Hoe vinden vogels de juiste plek?

Dat weet niemand precies, en het is een van de open vragen in het vakgebied. De ibisresultaten suggereren dat vogels kleine veranderingen in de luchtstroom over hun vleugels en lichaam voelen en hun positie bijstellen tot vliegen het makkelijkst gaat, zoals een wielrenner leert waar hij het best uit de wind zit achter een andere renner. Veren staan in verbinding met gevoelige receptoren in de huid, dus vogels zijn goed toegerust om luchtbeweging te voelen. Ervaring speelt waarschijnlijk ook mee. De ibissen in de studie waren jonge vogels op hun eerste trek, wat erop wijst dat het vinden van de ideale plek geen jarenlange oefening vereist, al wordt het er misschien wel beter door. Voorlopig is het mechanisme waarmee vogels de opwaartse luchtstroom waarnemen een hypothese en geen vaststaand feit.

Besparen vogels echt energie in formatie?

Ja, volgens onderzoek in het veld, al is de besparing waarschijnlijk kleiner dan vroege theorieën beweerden.

Het hartslagonderzoek bij pelikanen

In 2001 publiceerde een team onder leiding van Henri Weimerskirch een studie in Nature over roze pelikanen in Senegal, die getraind waren om achter een boot en een ultralicht vliegtuigje te vliegen. De onderzoekers gaven de vogels hartslagmeters. Pelikanen die in formatie vlogen, hadden een lagere hartslag dan pelikanen die alleen vlogen, en ze zweefden vaker in plaats van te klappen. Een lagere hartslag is een redelijke aanwijzing voor minder inspanning. De vogels vooraan, zonder voorganger die opwaartse lucht leverde, moesten het hardst werken.

En dat beroemde getal van ongeveer 70 procent?

Een theoretische studie in Science uit 1970 berekende dat een groep van 25 vogels in een ideale V ongeveer 70 procent verder zou kunnen vliegen dan één vogel met dezelfde hoeveelheid energie. Dat getal wordt sindsdien overal herhaald. Latere onderzoekers wezen erop dat de berekening uitging van geïdealiseerde vaste vleugels en een perfecte positie, iets wat echte, klappende vogels niet de hele tijd kunnen volhouden. Windstoten, bochten, vogels die aansluiten of afhaken en de variatie van het klappen verkleinen allemaal de besparing.

De beste samenvatting op dit moment is dus: formatievliegen bespaart energie, en het bewijs van zowel pelikanen als ibissen ondersteunt dat, maar de werkelijke winst in een wilde groep is waarschijnlijk bescheidener dan het getal uit de leerboeken, en hij verschilt van moment tot moment.

Is energie besparen de enige reden?

Waarschijnlijk niet. Een tweede verklaring, die goed samengaat met de eerste, gaat over zien en bij elkaar blijven.

De zichthypothese

Veel vogels hebben hun ogen aan de zijkant van de kop. Door schuin achter de voorganger te vliegen, heeft elke vogel een vrij zicht op zijn buurman zonder recht vooruit langs een ander lichaam te hoeven kijken. Dat maakt het makkelijker om:

• Een veilige afstand te houden en botsingen te voorkomen.
• Veranderingen in snelheid en richting van de voorste vogel te volgen.
• De groep bij elkaar te houden over lange afstanden, in mist en ‘s nachts.

Sommige onderzoekers stellen dat voor bepaalde soorten het voordeel van coördinatie even zwaar kan wegen als het aerodynamische voordeel. De twee verklaringen sluiten elkaar niet uit: een formatie die iedereen in beeld houdt en ook nog energie bespaart, is dubbel nuttig. Onze uitleg over waarom vogels in zwermen vliegen gaat in op de sociale en veiligheidsvoordelen van samen vliegen in het algemeen.

Waarom roepen ganzen tijdens het vliegen?

Ganzen roepen veel tijdens de vlucht, en die roepen helpen volgens de meeste deskundigen om contact te houden, zeker bij slecht zicht en ‘s nachts. Ganzen trekken in familiegroepen, en de roepen helpen ouders en jongen waarschijnlijk om elkaar in de gaten te houden. Of het gegak ook specifiek de posities in de V regelt, is minder duidelijk. Wie in de herfst of winter in Nederland of Vlaanderen buiten is, hoort groepen kolganzen, grauwe ganzen of brandganzen vaak eerder dan dat hij ze ziet.

Welke vogels vliegen in een V, en welke niet?

Waarom vliegen kleine vogels niet in een V?

Kleine vogels zoals vinken, mussen en zangers klappen snel en vliegen met veel korte zweefmomenten of in een golvende vlucht, en ze maken zwakkere, onregelmatigere wervels achter hun vleugelpunten. Het zou voor hen heel moeilijk zijn om de precieze posities vast te houden die nodig zijn om de opwaartse luchtstroom te benutten. Veel kleine zangvogels trekken bovendien ‘s nachts, vaak alleen of in losse groepen die over de hele lucht verspreid zijn. Hun groepsstrategie draait om veiligheid in aantallen, niet om aerodynamica.

Spreeuwen pakken het heel anders aan, met enorme, vloeiende zwermen waarin elke vogel een handvol dichtstbijzijnde buren volgt. Onze uitleg over wat een spreeuwenwolk is laat zien hoe dat werkt.

Vliegen alle langeafstandstrekkers in een V?

Nee. Veel van de verste trekkers, zoals noordse sterns, steltlopers en kleine zangvogels, vliegen niet in strakke V-formaties. Sommige steltlopers vliegen in snelle, compacte groepen. Roofvogels en ooievaars zweven vaak op opstijgende warme lucht, thermiek, in plaats van te klappen, en dat is een andere manier om energie te besparen. Onze artikelen over hoe ver vogels trekken en welke vogel het verst trekt bekijken de kampioenen.

Waarom zijn sommige V-formaties scheef?

Kijk goed naar een overvliegende groep ganzen en je ziet vaak een V met de ene arm veel langer dan de andere, een J-vorm of gewoon één schuine lijn. Dat is normaal. Vogels veranderen voortdurend van plek, zakken terug om uit te rusten, schuiven naar voren of wisselen van kant. Late aansluiters haken aan bij één arm. Zijwind en bochten kunnen de vorm ook vervormen.

De oude grap vraagt waarom de ene kant van de V langer is, met als clou “omdat daar meer vogels vliegen”. Dat klopt eigenlijk gewoon.

Is de voorste vogel altijd de sterkste of de oudste?

Dat wordt vaak beweerd, maar is niet goed onderbouwd. In de ibisstudies werd het kopwerk gedeeld. In families van ganzen vliegen volwassen vogels misschien vaker voorop, wat aannemelijk is omdat zij de route kennen, maar de details verschillen en zijn minder grondig onderzocht dan mensen soms denken.

Hebben ingenieurs de V-formatie nagebootst?

Ja. Vliegtuigbouwers hebben formatievliegen met vliegtuigen uitgeprobeerd om dezelfde opwaartse luchtstroom te benutten. Onderzoeksprogramma’s van NASA en anderen hebben het bestudeerd, en in 2021 meldde Airbus testvluchten waarbij een vliegtuig dat in het zog van een ander vloog, brandstof bespaarde in de orde van 5 procent. Voor gebruik in de burgerluchtvaart zijn er nog praktische obstakels, zoals veilige afstanden en luchtverkeersleiding, maar het principe is hetzelfde dat ganzen al lang geleden ontdekten.

Fabels en feiten over V-formaties

Fabel: Vogels in een V besparen zo’n 70 procent van hun energie. Feit: dat getal komt uit een theoretisch model uit 1970. De echte besparing lijkt kleiner, al is ze meetbaar.

Fabel: De voorste gans leidt de hele reis. Feit: onderzoek bij ibissen laat zien dat vogels vaak van kop wisselen, en van ganzen wordt algemeen aangenomen dat ze dat ook doen.

Fabel: Elke trekvogel vliegt in een V. Feit: V-formaties zie je vooral bij grote vogels met lange, gelijkmatige vluchten. De meeste kleine vogels trekken in losse groepen, veel van hen ‘s nachts.

Fabel: Vogels in een V volgen één navigator. Feit: ervaren vogels kunnen de route bepalen, maar de posities in de V wisselen voortdurend en navigeren is groepswerk. Ons artikel over hoe vogels weten waar ze naartoe moeten trekken legt uit hoe ze de weg vinden.

Wat betekent dit voor vogelaars in de tuin?

• Gebruik de vliegvorm bij het herkennen. Een lange, ordelijke V van grote vogels hoog in de lucht in het voor- of najaar zijn meestal ganzen, of kraanvogels, die je vaak hoort trompetteren. Lijnen laag boven water wijzen eerder op aalscholvers. Losse, golvende groepen zijn meestal kleine zangvogels. Onze gids over vogels herkennen legt uit hoe je vorm en gedrag combineert met andere kenmerken.
• Luister net zo goed als je kijkt. Ganzen en kraanvogels roepen voortdurend tijdens de vlucht, en vaak hoor je een groep al voordat je hem ziet.
• Kijk hoe de V verandert. Met een verrekijker zie je vaak hoe vogels van plaats wisselen, terugzakken of naar de andere arm verhuizen.
• Leg vast wat je ziet. Overvliegende groepen tellen en invoeren in eBird of waarneming.nl, zoals onze gids over eBird gebruiken uitlegt, helpt onderzoekers om de timing van de trek te volgen. In Nederland en België tellen vrijwilligers de trek ook op vaste telposten, en Sovon en Natuurpunt gebruiken zulke gegevens.

Veelgemaakte fouten

• Aannemen dat elke V van donkere vogels ganzen zijn. Aalscholvers en ibissen vliegen in vergelijkbare vormen.
• Een perfecte V verwachten. Ongelijke formaties zijn de norm.
• Het geluid vergeten. Bij hoog overvliegende groepen is de roep vaak de snelste weg naar een determinatie.

Snelle feiten

• Een klappende vleugel laat achter elke vleugelpunt een draaiende wervel achter, met opstijgende lucht net daarbuiten.
• Vogels in een V vliegen iets achter en opzij van hun voorganger om die opstijgende lucht te benutten.
• Een studie in Nature uit 2014 liet zien dat heremietibissen de opwaartse luchtstroom opzochten en hun vleugelslag daarop afstemden.
• Een studie uit 2015 vond dat ibissen om beurten voorop vlogen en volgden.
• Roze pelikanen in formatie hadden een lagere hartslag dan pelikanen die alleen vlogen.
• Het vaak geciteerde getal van ongeveer 70 procent meer bereik komt uit een theoretisch model uit 1970 en geldt als te optimistisch.
• De V helpt vogels ook om elkaar te zien en botsingen te voorkomen.
• Vooral grote vogels vliegen in V-formaties: ganzen, kraanvogels, zwanen, pelikanen, aalscholvers en ibissen.

Bronnen

• 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
• Sovon Vogelonderzoek Nederland
• Vogelbescherming Nederland
• Natuurpunt