Gli studi sulla resistenza dell'aria
L'interesse per il volo si manifesta in Leonardo fin dagli anni giovanili trascorsi a Firenze, ma è dopo il suo trasferimento a Milano, intorno al 1482, che il problema comincia ad assumere in lui un rilievo particolare.

L'osservazione, sia pure generica, degli uccelli lo convince che il volo non ha in sé nulla di misterioso - a differenza di quanto pensano gli scienziati dell'epoca - ma è un fenomeno puramente meccanico, dovuto al colpo d'ala nell'aria.

Il fatto che l'aria sia comprimibile, ed eserciti quindi una resistenza in grado di sostenere un corpo, costituisce una delle intuizioni fondamentali di Leonardo, portandolo a concludere la possibilità  anche per l'uomo di volare: "...che per queste... ragioni potrai conoscere l'uomo colle sua congegnate e grandi ale, facendo forza contro alla resistente aria e vincendo, poterla soggiogare e levarsi sopra di lei".

Una delle prime applicazioni di questa intuizione è il famoso progetto di paracadute risalente al 1485 circa, costituito da una struttura rigida di forma piramidale, rivestita di tela di lino inamidata, per renderla compatta e impermeabile all'aria. Le dimensioni sono notevoli: 7,20 m di base per 7,20 m di altezza.

All'incirca contemporanea è un'altra applicazione del principio della resistenza dell'aria, la cosiddetta vite aerea, in cui si è voluto riconoscere un prototipo dell'elicottero. Alla base della macchina vinciana sta infatti l'intuizione che l'aria, in determinate condizioni, può comportarsi come un corpo solido: un oggetto che si avviti al suo interno deve quindi sollevarsi verso l'alto, esattamente come una vite, girando, penetra nel legno. L'apparecchio si compone di una vite senza fine, di circa 10m di diametro, realizzata con una struttura in canne rivestita di tela di lino inamidata e rinforzata mediante una bordura metallica. La vite è imperniata su un asse di rotazione, messo in movimento grazie alla spinta di alcuni uomini che camminano intorno ad esso o tramite il veloce svolgimento di una fune avvolta attorno alla sua base.

Struttura della macchina volante: le ali
Paracadute e vite aerea costituiscono un caso isolato nello sviluppo degli studi vinciani sul volo. La maggior parte delle macchine volanti che Leonardo progetta, infatti, è dotata di ali, di solito battenti. E proprio all'ala - alla sua forma, struttura e realizzazione - egli riserva una ricerca ampia e particolareggiata, che evolve nel corso degli anni benché in modo non sempre facile da seguire.

Dopo varie ricerche, egli sembra orientarsi verso un tipo di ala "a sportelli", di forma simile a quella del pipistrello, che suddivide in tre zone per le quali prevede l'impiego di materiali diversi - legno di abete, fustagno ricoperto di piume e taffetà inamidato teso sopra una rete a maglie larghe - seguendo un criterio di progressivo alleggerimento strutturale. La combinazione rete-taffetà, separandosi durante l'alzata e ritornando ad aderire durante l'abbassata, dovrebbe agevolare il movimento dell'ala, riducendo lo sforzo nella prima fase e meglio sfruttando la resistenza dell'aria nella seconda.

Questa soluzione "a sportelli" tuttavia non soddisfa Leonardo che finisce per abbandonarla, preferendo alla fine un rivestimento continuo, ritenuto evidentemente più funzionale.

L'ala tipo pipistrello - a sportelli o a rivestimento continuo - non è comunque una scelta definitiva né vincolante. Una delle ultime macchine progettate dall'artista, infatti, adotta un tipo di ala completamente diverso, con un'ossatura vagamente simile a quella di una mano e una copertura.

Nell'ambito degli studi sull'ala, accanto a quelli di tipo strutturale un ruolo primario hanno poi quelli per misurarne la portanza, cioè per valutare la sua capacità  di sostenere in volo la macchina e il suo pilota. A questo scopo l'artista escogita diverse esperienze, fra le quali la più nota è quella cosiddetta dell'attrezzo per la prova di ali battenti. Si tratta di un'ampia ala palmare di 12 m x 12 m, fissata ad un pancone del peso di circa 68 kg e azionata da una doppia leva. Agendo rapidamente sulla leva, se il pancone si alza da terra prima che l'ala si abbassi, la portanza di quest'ultima è da ritenere soddisfacente.

Il ritorno all'osservazione degli uccelli
Gli studi vinciani sulle macchine volanti si concentrano negli anni fra 1482 e 1499, ossia durante il periodo del primo soggiorno a Milano.

Come si è visto si tratta principalmente di dispositivi ad ala battente, con cui Leonardo tenta di riprodurre artificialmente la struttura e i movimenti dei volatili, facendo così della sua macchina una sorta di uccello meccanico.

Premessa indispensabile, però, è che il pilota riesca a sviluppare l'energia sufficiente per muovere le ali con la necessaria rapidità , ma Leonardo ben presto si rende conto che questo non è possibile.

A partire dal 1503, pertanto, ritorna ad osservare il volo degli uccelli, questa volta in modo accurato e sistematico, allo scopo di comprenderne esattamente la dinamica.

Si rende così conto che, se gli uccelli di piccola taglia utilizzano la battuta d'ala per volare, quelli medio-grandi, in particolare i rapaci, si librano nell'aria affidandosi alle correnti e fanno ricorso alla battuta solo per correggere o stabilizzare la traiettoria. Il loro è quindi un volo veleggiato che non richiede l'impiego di una grande energia, bensì abilità  e istinto per dirigerlo nel modo migliore.