La navigation à voile est une discipline fascinante où le vent, l’eau et la structure du navire interagissent en permanence. Pour comprendre comment un voilier avance, accélère ou réagit aux conditions extérieures, il est nécessaire d’analyser les forces hydrodynamiques et aérodynamiques qui s’exercent sur la coque. Ce domaine, bien que technique, repose sur des principes physiques fondamentaux que tout marin doit appréhender pour maîtriser sa trajectoire.
La mécanique du planning et le rôle de la poussée d’Archimède
La force de portance et la poussée d’Archimède sont étroitement liées dans le comportement d'un bateau. Il faut bien avoir assimilé les notions suivantes : un bateau arrêté flotte grâce à la poussée d’Archimède qui s’oppose au poids du bateau ; il se crée une force de portance Po quand le bateau avance ; la force de portance est inversement proportionnelle à la poussée d’Archimède (quand l’une diminue l’autre augmente). Les deux forces sont égales au poids du bateau.
On peut diviser ce processus en plusieurs étapes distinctes. Dans une première phase, le bateau est arrêté : la poussée d’Archimède est la seule force qui fait flotter le bateau. À une faible vitesse, la poussée d’Archimède diminue et la force de portance apparaît. Lorsque le bateau commence à partir au planning, la force principale s’appliquant sur la coque devient la force de portance, tandis que la poussée d’Archimède diminue progressivement. Enfin, dans une situation de planning important, la force qui devient majoritaire à 95% est la force de portance tandis que la poussée d’Archimède tend à s’annuler. Le bateau ne flotte plus au sens statique du terme, il se déplace à la surface de l’eau : il est au planning.
Il est facile de remarquer un bateau ou une planche au planning car généralement l’eau touche la coque du puit de dérive jusqu’à l’arrière du bateau. Sur le dessin de gauche, le bateau avance avec une faible vitesse mais sans être au planning. On peut s’apercevoir que la plus grande des forces qui s’applique est la poussée d’Archimède, la force de portance est plus faible. Sur le dessin de droite, le bateau est au planning. Sa surface mouillée diminue et recule vers l’arrière de la carène donc le point d’application des forces recule aussi mais la plus grande des forces est la force de portance tandis que la poussée d’Archimède est négligeable. Le bateau ne flotte plus, il plane. Le planning peut s'appliquer à tous les types de bateaux.
Le mécanisme du surf : une accélération par la vague
Le départ au surf est complètement différent du planning. Il est initié par une vague. C’est la vague qui rattrape et pousse le bateau. Il va prendre de la vitesse et va donc surfer sur la vague. Le processus se décompose en trois étapes : le voilier avance et la vague est en train de le rattraper ; la vague rattrape le bateau, elle commence à déferler et il prend de la vitesse pour partir en surf ; enfin, le bateau est en train de surfer sur la vague.
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Le surf d’une vague n’est pas indéfini. Quand le surf est fini, le bateau ralentit jusqu’à la vague suivante. Les surfeurs en bord de plage utilisent le même principe. Ils attendent la vague, rament avec les mains pour prendre le maximum de vitesse puis ils se laissent porter par la vague tout comme le fait le bateau. Et ensuite, ils utilisent les carres de leurs planches pour diriger leur surf.
L’importance de la couche limite et de l’entretien de la coque
La surface d’une coque n’est jamais lisse même si cette dernière est neuve. La surface de la coque peut être comparée à l’intérieur de la main : il y a de fins sillons. Les molécules d’eau vont se fixer dans les micro-fissures et former une pellicule liquide appelée la couche limite. Cette fine couche d’eau permet au bateau de mieux glisser sur l’eau. Ainsi, quand le bateau avance, l’eau de mer vient glisser non pas sur la coque mais sur la fine couche d’eau qui se forme autour. Comme les deux surfaces, la couche limite et l’eau de mer, ont les mêmes caractéristiques, les frottements sont moindres et le bateau avance plus vite.
Pour maintenir cette efficacité, on applique une peinture antifouling auto-érodable sur les coques des bateaux qui sont toujours dans l’eau. Cette peinture ralentit la fixation des micro-organismes marins. Elle s’élimine progressivement en navigation, mais n’est pas nocive pour le milieu environnant. Grâce à cette peinture particulière, la coque peut être nettoyée avec le grattoir d’une éponge.
La gestion dynamique de l’enfournement
L’enfournement est un enfoncement de l’étrave du bateau sous l’eau. Il est dû à une forte pression de la force aérodynamique (FA) orientée vers l’avant du bateau combinée à un faible volume de l’avant du bateau. À la suite de l’enfournement, il peut se passer deux situations : soit l’étrave du bateau ressort de l’eau et l’équipage poursuit sa route ; soit le bateau continue à enfourner et chavire en pivotant sur le côté ou en faisant un soleil.
L’équipage doit être attentif car l’enfournement peut se produire de deux manières différentes : soit l’étrave pénètre brutalement dans une vague, quelle que soit l’allure du bateau par rapport au vent ; soit l’étrave, au portant, part sous l’eau à cause d’une trop grande pression de la force aérodynamique sur les voiles. Pour éviter l’enfournement, l’équipage peut agir sur les commandes écoute/barre et sur l’équilibre longitudinal. Il doit diminuer la pression du vent sur les voiles et particulièrement celle qui s’exerce sur la voile d’avant.
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Au près, pour réduire la pression sur les voiles et par conséquent la force aérodynamique, l’équipage peut agir sur les écoutes. Il choque la voile d’avant puis la grand-voile (chariot et/ou écoute). Le plan de voilure va rapidement se mettre dans l’axe du vent et la force aérodynamique va diminuer brutalement. Il peut également agir sur la barre et lofer pour faire faseyer la voile d’avant mais attention à ne pas virer de bord.
Au portant, si le bateau navigue sous voile d’avant et grand-voile, l’équipage doit abattre et choquer en même temps les voiles. Le plan de voilure va passer d’un écoulement laminaire à un écoulement turbulent. La force aérodynamique va brutalement diminuer, la pression exercée est plus faible, l’étrave ressort de l’eau. Si le bateau navigue sous spinnaker, l’équipage choque d’abord le spinnaker puis abat en choquant la grand-voile.
L’équilibre longitudinal permet également d’éviter un enfournement. Quand le bateau enfourne, l’équipage peut notamment se reculer pour contrecarrer cet enfournement. Le processus est le suivant : l’équipage est en position neutre, le bateau enfourne, l’équipage se recule, l’avant du bateau ressort de l’eau, le bateau est de nouveau à plat, l’équipage doit s’avancer pour permettre au bateau de naviguer dans ses lignes. Attention, lorsque le bateau enfourne, le déplacement de l’équipage sur l’arrière du bateau peut ne pas suffire. L’équipage doit alors également utiliser la commande écoute. Quand un bateau enfourne, cela se termine souvent par un dessalage ; le bateau chavire en faisant un soleil, il passe cul par-dessus tête.
Stabilité, centre de gravité et centre de carène
Quand une personne monte sur un voilier, elle s’aperçoit que la stabilité transversale ou latérale est beaucoup moins importante que la stabilité longitudinale, car la largeur est plus petite que la longueur. Cette instabilité est due au centre de gravité et au centre de carène. Le centre de gravité est le point de concentration des différentes forces qui permet à un corps de se trouver en équilibre ; il ne bouge pas. Le centre de carène est le point où s’applique la résultante des forces hydrodynamiques et il se déplace en fonction de la surface de coque immergée.
Sur le premier dessin, le bateau navigue à plat, les deux centres sont sur le même axe vertical. Sur le deuxième dessin, le bateau a une légère gîte ; l’axe du centre de carène se déplace en s’éloignant de l’axe du centre de gravité. Sur le troisième dessin, la gîte a augmenté ; les deux axes sont de nouveau alignés, l’axe du centre de carène s’étant rapproché de l’axe du centre de gravité. Le bateau est en équilibre. S’il n’y a pas de modifications dues à la variation de l’intensité du vent ou au déplacement de l’équipage, le bateau ne gîte pas plus mais ne revient pas non plus à plat. Sur le quatrième dessin, la gîte a encore augmenté ; l’axe du centre de gravité est passé de l’autre côté de l’axe du centre de carène. C’est alors le poids du bateau qui provoque le chavirage. Sur le cinquième dessin, le bateau a chaviré.
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Optimisation de la surface mouillée et effets de carène
Un équipage centré et groupé permet au bateau de naviguer dans ses lignes et éviter ainsi des frottements néfastes à son avancement. La surface mouillée correspond à l’empreinte laissée par le bateau quand il est posé sur l’eau. Plus la surface mouillée est faible, plus la traînée est faible et moins le volume d’eau déplacé est important selon Archimède. Sur le bateau de gauche, l’équipage est trop reculé, la surface mouillée est importante, le bateau n’est plus dans ses lignes. L’équipage du bateau de droite a un bon placement, la surface mouillée est optimale et inférieure à celle de gauche, le bateau navigue dans ses lignes, sa vitesse est bien meilleure.
La surface mouillée est fonction du poids du bateau et de la forme de la coque. Plus le bateau est lourd, plus la surface mouillée et la partie immergée de la coque sont importantes. La vitesse du bateau étant inversement proportionnelle au volume d’eau déplacé, il est important de réduire au maximum le poids du bateau et des divers équipements. La « chasse au poids » se pratique quelle que soit la catégorie de bateau, de l’Optimist au grand trimaran de course au large, et s’applique aux matériaux de construction, aux cordages, à la nourriture, aux affaires personnelles de l’équipage, ainsi qu’à l’électronique et l’aménagement intérieur.
L’effet de carène agit sur la trajectoire de l’embarcation. Quand le bateau gîte ou contre-gîte, la carène liquide du bateau se déforme. La forme de la carène à l’arrêt est différente de la forme de la carène du bateau à la gîte ou à la contre-gîte. L’effet de carène se retrouve aussi en planche à voile lorsque celle-ci n’est pas au planning. Le véliplanchiste utilise l’assiette latérale pour orienter son flotteur. Sur le dessin de gauche, la pression du pied se fait au vent du flotteur, la planche à voile abat. Sur le dessin de droite, la pression du pied se fait sous le vent du flotteur, la planche à voile lofe.
La déformation des lignes de flottaison de la carène du voilier présente une courbure accentuée du côté où le bateau penche. Quand le bateau contre-gîte, la déformation se fait au vent, elle est réduite sous le vent et le bateau abat. Quand le bateau gîte, la déformation se fait sous le vent, elle est réduite au vent et le bateau lofe. Dans les deux cas, il en résulte un couple de virage, dont le point de pivot est la dérive. La surface mouillée diminue sensiblement à la gîte. Par conséquent, il est préférable de toujours maintenir un léger angle de gîte pour que le bateau conserve une vitesse optimale. Mais attention de ne pas trop gîter car cela produit deux effets préjudiciables à la bonne marche du bateau : un effet de ralentissement car un bateau trop gîté déplace un volume d’eau plus important qu’un bateau à plat ; un effet de lof trop important alors que le bateau avance en ligne droite.
L’effet de care et le phénomène de spin-out
L’effet de care est surtout utilisé en planche à voile et plus particulièrement en funboard. On le retrouve dans d’autres sports nautiques comme le wakeboard ou le surf. Il est également utilisé en ski et en snowboard. L’effet de care fonctionne à l’inverse de l’effet de carène. Pour utiliser l’effet de care, il faut être obligatoirement au planning. Lors de la pression du pied sous le vent du flotteur, la planche à voile abat. Lors de la pression du pied au vent du flotteur, la planche à voile lofe. En surf, l’effet de care est l’unique technique pour diriger sa planche.
Le spin-out est un tête-à-queue ou dérapage du flotteur sous la voile. Les véliplanchistes disent qu’ils ont l’impression d’avoir cassé leur aileron. L’effet de spin-out est causé par trois phénomènes : la ventilation, où l’air est aspiré sous la planche et forme une bulle d’air autour de l’aileron ; le décrochage, qui se produit lorsque l’écoulement du fluide eau devient tourbillonnaire au niveau de l’aileron ; et la cavitation, qui ne se produit qu’à des vitesses supérieures à 50 nœuds (plus de 90 km/h), où l’eau autour de l’aileron se transforme en vapeur.
Allures et navigation : maîtriser le vent
Naviguer à la voile ne consiste pas simplement à laisser le vent pousser le bateau. Toute progression repose sur une donnée essentielle : l’angle formé entre la trajectoire du voilier et la direction du vent. On distingue sept allures principales : le près serré, le bon plein, le petit largue, le travers, le largue, le grand largue et le vent arrière. Les performances varient selon le type d’unité, la force du vent et l’état de la mer. Le près correspond à l’allure la plus proche du vent sans être face à lui ; la vitesse reste modérée et la gîte est marquée.
En s’écartant légèrement du vent depuis le près, on atteint le bon plein, qui permet d’accroître sensiblement la vitesse. Le petit largue correspond à une allure portante intermédiaire située entre le travers et le grand largue, permettant de conserver une bonne pression dans les voiles. Au petit largue, la vitesse est généralement élevée et la gîte est faible à modérée. Le voilier navigue relativement à plat, ce qui améliore nettement le confort à bord. L’objectif est de capter un maximum de vent sans provoquer de faseyement. Au vent arrière, le voilier progresse quasiment dans l’axe du vent, entre 170° et 190°. Cette allure n’est pas la plus performante, la vitesse reste correcte mais inférieure au grand largue. Maîtriser les allures revient à comprendre comment exploiter le vent plutôt que le subir.