Le monde de la navigation à voile est régi par des principes physiques complexes, où l'interaction entre le vent, la voile et l'eau joue un rôle fondamental dans la trajectoire et la performance d'un bateau. Au cœur de cette interaction se trouve la notion de dérive, un phénomène inhérent à la propulsion vélique qui nécessite une compréhension approfondie de l'hydrodynamisme pour être maîtrisé. L'étude de l’hydrodynamisme, qui est l’influence d’un fluide, en l'occurrence l'eau, sur un plan, est cruciale pour comprendre comment un voilier se déplace et comment minimiser les forces qui le déportent de sa route. Cette discipline analyse spécifiquement l’influence de l’eau sur les parties immergées d’un bateau, incluant sa coque et ses appendices. Bien que l’eau soit beaucoup plus dense que l’air, elle est également considérée comme un fluide, et en hydrodynamisme, c’est le plan qui se déplace dans ce fluide, tandis que le mouvement du fluide lui-même (houle, vague, courant) se déplace de manière beaucoup moins importante sur le plan du bateau.
La Dérive : Un Déplacement Latéral Inévitable
Le vent dans les voiles génère une composante propulsive, qui est celle qui fait avancer le bateau, mais aussi une composante de dérive, qui est celle qui fait déraper le bateau sur le côté. Lorsqu’un voilier navigue du plus près serré au vent de travers, il est inévitablement dévié de sa route et marche en crabe. Cette dérive est une conséquence directe de l'action du vent sur la coque et la voilure. Elle se manifeste par un déplacement latéral du bateau par rapport à son axe longitudinal, un mouvement communément appelé « se déplacer en crabe ». La dérive est l'angle formé par le sillage du voilier et son axe longitudinal. Elle est d'autant plus importante que la vitesse est faible et que le plan de dérive n’est pas efficace. Dans la pratique, elle s'estime « à vue », en regardant l'arrière du bateau.
Le phénomène de dérive a deux origines principales : le vent et les courants. Lorsque nous nous concentrons sur la dérive due au vent, nous observons que plus la coque d'un bateau est importante, plus elle donne prise à l'action du vent, un concept que l'on désigne par le mot fardage. Ce problème est généralement moins prononcé sur les bateaux à moteur, en raison d'un fardage négligeable ou d'une grande vitesse, qui réduit l'impact relatif de la poussée latérale du vent.
Pour un barreur, la gestion de cette dérive est essentielle. Par exemple, si un Optimist souhaite se rendre sur une amère matérialisée par une croix rose, et que le barreur enlevait la dérive, il se retrouverait sous le vent de la croix rose, c’est-à-dire sur une croix bleue, même s’il essayait de viser au vent. Cela illustre clairement que le plan de dérive, bien que fondamental, ne solutionne pas complètement la dérive du bateau. Effectivement, le bateau dérive toujours car la force aérodynamique est souvent plus importante que la force hydrodynamique. Dans de telles situations, le barreur, ayant son plan de dérive abaissé au maximum, doit anticiper sa dérive en visant au vent de son point d’arrivée. Pour atteindre la croix rose, le barreur doit viser au vent sur la croix verte, car sinon, avec l’angle de dérive, il arriverait sur la croix rouge, c’est-à-dire sous le vent de son point d’arrivée. Le cap, c'est le cap vrai, bien sûr, mais la route effectivement suivie dépend de ces multiples facteurs.
Les Fondamentaux de l'Hydrostatique et de l'Insubmersibilité
Avant de plonger plus avant dans les dynamiques de la dérive, il est impératif de comprendre les principes fondamentaux qui régissent la flottabilité d'un bateau. La poussée d’Archimède est au cœur de cette compréhension. Sa définition stipule qu'« un corps plongé dans un fluide subit une poussée verticale vers le haut égale au poids du fluide déplacé ». L’histoire d’Archimède, avec sa célèbre exclamation "Eureka!" après avoir découvert que le volume de son corps plongé dans l'eau était égal au volume d'eau qui s'en écoulait, illustre parfaitement ce principe fondateur. Cette poussée s'applique sur toute la partie immergée de la coque, y compris la dérive et le gouvernail.
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La flottabilité d'un bateau est une affaire de densité. La densité correspond au rapport entre le poids et le volume d’un corps. Si la poussée d'Archimède (Parch) est inférieure au poids du bateau (P), le bateau coule. Si Parch est égale à P, le bateau flotte. Le sous-marin est un excellent exemple de l'application de ce principe. Pour pouvoir plonger, il utilise un système de ballasts qui sont remplis d’eau de mer. Le poids du sous-marin augmente, mais son volume reste le même, ce qui rend la poussée d’Archimède inférieure au poids du bateau, permettant ainsi l'immersion. À l’inverse, pour remonter à la surface, le sous-marin vide ses ballasts, diminuant son poids et permettant à la poussée d'Archimède de le ramener à la surface.
La notion d’insubmersibilité est directement liée à ces principes. Selon le Petit Larousse, insubmersible signifie « qui ne peut pas couler ». Cela signifie que les bateaux conçus pour être insubmersibles, même remplis d’eau avec leur matériel (gréement, dérive…) et l’équipage réglementaire, ne coulent pas. De plus, de nombreuses embarcations sont conçues pour continuer à naviguer afin de regagner un point à terre, pas forcément celui du départ. L’insubmersibilité d’un bateau est un gage de sécurité non négligeable pour tous les navigateurs, et particulièrement pour ceux naviguant en haute mer. Elle s’obtient par différents procédés de fabrication, tels que des caissons étanches, le cloisonnement de la coque, l'intégration de volumes de matière plastique expansée ou de polystyrène, ou encore des réserves de flottabilité.
L'Hydrodynamisme et le Rôle Crucial de la Dérive
L’hydrodynamisme est l’étude de l’influence d’un fluide, en l'occurrence l'eau, sur un plan. Dans le contexte d'un voilier, nous analysons l’influence de l’eau sur les parties immergées, c’est-à-dire la coque et les appendices du bateau. La dérive forme ce plan crucial pour la performance du voilier. On parle ici d’un plan bi-convexe, car le plan est bombé des deux côtés. La dérive joue un rôle essentiel dans la bonne marche du bateau. En effet, sans la dérive, le bateau avancerait principalement sur le côté à cause de la force aérodynamique exercée par le vent sur la voilure et la superstructure. Pour contrer ce déplacement sur le côté, on utilise la dérive et sa force hydrodynamique.
Pour comprendre la création de la force hydrodynamique, il faut se référer à la force aérodynamique, car les mêmes phénomènes physiques régissent ces deux forces. En comparant l'hydrodynamisme et l'aérodynamisme, on constate des parallèles frappants :
- Fluide : L'eau en hydrodynamisme, l'air en aérodynamisme.
- Plan : La dérive (bi-convexe) ou la carène en hydrodynamisme, les voiles en aérodynamisme.
- Angle d’incidence : Entre l’eau et la dérive en hydrodynamisme, entre le vent et le plan de voilure en aérodynamisme.
- Effets physiques : Un effet Venturi et un effet Bernoulli sont présents dans les deux cas.
- Résultat : La création d’une force hydrodynamique ou d’une force aérodynamique.
Le processus de création de la force hydrodynamique est donc identique au processus de création de la force aérodynamique, même si en hydrodynamique, le plan est souvent bi-convexe plutôt qu'uniquement convexe comme une aile d'avion. La force hydrodynamique est représentée par un vecteur dont le symbole est FH. Son point d’application est le centre de dérive (Cd). Cette force hydrodynamique s’applique sur l’ensemble des éléments immergés de l’engin, y compris la coque, la dérive, le gouvernail et l'hélice.
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Dans un exemple de calcul pour une dérive de planche à voile ou de bateau, il est préférable qu'elle soit symétrique. Lorsque l'on entre la corde du profil, son cambre s'affiche ; si celui-ci reste nul, cela indique un profil symétrique. Si l'on entre une incidence du profil, c’est-à-dire l’angle que forme sa corde avec la direction du flux, par exemple 10.5º, on observe que la portance générée peut être de 5588 Newtons, soit 570 Kg.f. C'est largement plus qu'il n'en faut, ce qui signifie que la dérive, lorsque le bateau dérive de 10.5º, rattrape largement le dérapage. Nous pouvons donc supposer qu'à une vitesse de 6 nœuds, le bateau n'atteindra jamais un angle de dérive aussi élevé. Une telle super-dérive pourrait permettre à un bateau de ne dériver que de 1.5º à 2º, de quoi faire pâlir les concurrents de l'América's Cup. Le défi réside alors dans la recherche du meilleur compromis entre vitesse, incidence, traînée, portance, encombrement, et solidité.
Décomposition des Forces Hydrodynamiques et Verticales
La force hydrodynamique peut être décomposée en deux plans distincts : horizontal et vertical, chacun ayant un rôle spécifique dans la navigation.
La Force Hydrodynamique sur le Plan Horizontal : La Force Anti-Dérive
La force hydrodynamique sur le plan horizontal correspond à la force anti-dérive. Elle se décompose de la façon suivante :
- La traînée (T) est parallèle et dans le même sens que le fluide.
- La portance (P) est perpendiculaire à la traînée.
- La force anti-dérive (Fad) est la résultante de ces deux forces, la traînée T et la portance P.
Un exemple visuel peut illustrer ce principe. Sur des photos montrant la présence ou l'absence de la force hydrodynamique selon si la dérive est mise ou non, l'Optimist est remorqué à vitesse identique. Sur la photo de gauche, la dérive est relevée ; le dériveur est stable, mais dérive latéralement. Sur la photo de droite, la dérive est abaissée complètement, et l’Optimist est en train de pencher fortement sous l'effet de la force anti-dérive générée, ce qui montre l'efficacité de la dérive à transformer la force latérale en une force de redressement, ou du moins à la contenir.
La Force Hydrodynamique sur le Plan Vertical : La Force de Portance
Quand le bateau commence à avancer, il se crée une pression dynamique ou une force de portance qui soulève le bateau, diminuant ainsi le volume immergé. Il est crucial de noter que la somme des deux forces, la poussée d'Archimède et cette force de portance, est toujours égale au poids du bateau. Par conséquent, si la force de portance augmente, la poussée d’Archimède diminue, et inversement.
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Cette force de portance verticale se décompose également :
- La traînée (T) est parallèle au fluide et dans le même sens.
- La portance (Po) est perpendiculaire à la traînée.
- La force de portance (Fp) est la résultante des deux forces, la traînée et la portance (Po).
Ce mécanisme est particulièrement visible avec les foils, une innovation qui a révolutionné la navigation moderne. La surface mouillée du bateau s’appelle la carène. Cette carène représente un solide qui avance dans un fluide, et elle procure donc une résistance à l’avancement, appelée Force de résistance de carène (Fr). C'est pour cette raison que des pionniers comme Tabarly avaient commencé à penser aux hydroptères (foils) pour sortir la carène de l’eau et ainsi éliminer la Fr. Aujourd'hui, tout ce qui flotte, des funboards aux voiliers de l'America's Cup et de la Route du Rhum, utilise des foils pour réduire cette résistance, et bientôt peut-être les bateaux de plaisance grand public. Le centre de gravité du bateau s’applique au centre de la masse volumique du bateau ; c'est la pesanteur, une force orientée verticalement vers le centre de la terre, vers le fond de l’eau. Cependant, c'est le centre de gravité de la partie immergée du bateau sur laquelle s’exerce la poussée d’Archimède, celle qui fait flotter le bateau et qui s’exerce du bas vers le haut.
Les Mécanismes Physiques de Génération des Forces : Couche Limite, Bernoulli et Venturi
Pour comprendre pleinement la création des forces hydrodynamiques et aérodynamiques, il est nécessaire d'examiner des concepts fondamentaux de la mécanique des fluides, tels que la couche limite, l'équation de continuité, l'effet Venturi et le théorème de Bernoulli.
L'Écoulement des Fluides et la Couche Limite
Dans un écoulement turbulent, les particules du fluide sont désorganisées et n’ont plus une direction linéaire. Si nous regardons ce qui se passe sur les vitres d’une voiture un jour de pluie sur autoroute, on constate que les gouttes d’eau glissent doucement sur les vitres latérales. Elles ne sont pas expulsées sous l’effet de la vitesse, elles collent à la vitre. Elles sont dans cette mince couche que l’on appelle « couche limite », accrochées au profil et ralenties. Ce phénomène se produit de manière similaire sur la carène d’un bateau avançant dans l’eau ou sur le profil de la voile avançant dans l’air. Les particules situées dans la couche limite de ces solides ralentissent et freinent également les particules juste à côté d’elles, jusqu’à un certain point.
L'Équation de Continuité, l'Effet Venturi et le Théorème de Bernoulli
Il existe une loi démontrée par l’équation de continuité qui dit que lorsqu’un débit volumétrique donné rencontre un rétrécissement, le même volume de fluide passe, mais pour cela il doit augmenter sa vitesse, et inversement. Un exemple simple est lorsque vous pincez un tuyau d’arrosage, vous constatez que la puissance du débit est plus importante.
L’effet Venturi est une manifestation du principe de conservation de l’énergie, formalisé dans le cas des écoulements fluides par le théorème de Bernoulli. Ce théorème peut s’énoncer de la façon suivante : dans le cas d’un écoulement fluide horizontal, lorsque la vitesse d’écoulement augmente, la pression diminue.
Prenons l’exemple du profil d’une aile d’avion placée dans un écoulement d’air. L'air se déplace plus vite sur la partie supérieure, appelée extrados, et moins vite sur la partie inférieure, appelée intrados. La raison de ce phénomène est due à l’équation de continuité. En effet, en arrivant sur l’aile, le fluide passant au-dessus se retrouve dans la situation d’un courant arrivant dans un tuyau rétréci. À cette augmentation de vitesse se joint une diminution de la pression, c'est l'effet Bernoulli. La différence de pression entre le dessus de l’aile (extrados, avec une basse pression) et le dessous de l’aile (intrados, avec une légère surpression) crée une force ascendante, dirigée vers le haut, appelée portance. Le profil de l’aile d’avion est bombé d’un côté spécifiquement pour créer cette accélération et, par conséquent, la force de portance.
Sur le profil d’une voile, qui est plus souple qu'une aile d'avion, on peut régler cette courbe en jouant sur la bordure et la drisse. On peut ainsi creuser ou aplatir le profil de la voile en fonction de la puissance souhaitée. Cependant, il y a une limite : si le profil est trop creux, les filets d’air, les particules d’air, vont décrocher, un phénomène appelé décollement, qui entraîne une perte de portance.
Maintenant, suite à ces notions de base, il est possible d'expliquer comment un voilier fait pour remonter contre le vent. C’est l’équivalent de la portance sur l’aile d’avion. Cette force a son origine au Centre Vélique de la voile (CV), situé dans le premier tiers de la voile, proche du mât. Elle est placée perpendiculairement à la corde de la voile, entre le bord d’attaque et le bord de fuite, vers l’extérieur, sur l’extrados de la voile. Elle ne s’appelle plus portance car elle n’a plus de composante ascensionnelle ; il s'agit plutôt d'une force propulsive et latérale. Cette force vélique n’est pas toujours parfaitement orientée, d'où la nécessité de la dérive pour la contrer.
L'Optimisation de la Performance et la Gestion de la Dérive
La densité de l’eau est plus importante que celle de l’air. C’est pour cela qu’un dériveur possède une dérive proportionnellement plus petite que la voile, car les forces qui s’y appliquent sous l’eau sont plus importantes que celles dans l’air.
La dérive n'est pas toujours utile dans toutes les allures. En vent arrière, par exemple, cette dérive n’est plus nécessaire, car la force de dérive et le sens d’avancement sont orientés dans le même sens. Sur les dériveurs, lors des bords de vent arrière, les régatiers remontent la dérive, devenue inutile, afin d'éliminer les résistances à l’avancement. Le bateau est alors moins stable mais plus rapide.