L’hydrofoil, également appelé « foil », a révolutionné le monde des sports nautiques ces dernières années. La technologie de l’hydrofoil (aileron portant) s’est imposée dans différentes disciplines et ouvre de nouvelles possibilités sur l’eau. Les hydrofoils ont profondément bouleversé le surf, et l’eFoil, en particulier, rend le vol au-dessus de l’eau accessible à un large public et ouvre de nouvelles dimensions aux sports nautiques. En réduisant la traînée et en augmentant l’efficacité, les foils permettent aux bateaux de s’élever au-dessus de la surface de l’eau, offrant une navigation plus fluide et rapide.
La technologie derrière l’hydrofoil et le coefficient de frottement
Un hydrofoil est un système de portance sous-marin qui se monte sous une planche de surf, un kiteboard, une planche à voile ou toute autre plateforme. Le principal avantage de la technologie hydrofoil est la réduction de la friction. Dès que la planche atteint une vitesse suffisante dans l’eau, le foil génère une portance. La planche se soulève alors au-dessus de la surface de l’eau, ce qui réduit considérablement la résistance de l’eau et permet une glisse presque silencieuse, comme en l’air.
En mécanique des fluides, un foil ou un hydrofoil est une aile profilée qui se déplace dans l’eau, transmettant une force de portance à son support. Cette vitesse de déplacement génère sur le foil une portance hydrodynamique capable de soulever la coque du bateau, le kite, le stand-up paddle, le surf ou la planche de windsurf partiellement ou totalement hors de l’eau. Dans le cas des hydrofoils à surface fixe immergés, la surface portante est entièrement et constamment immergée sous l’eau. L’avantage de cette configuration est sa capacité à isoler la planche de l’effet des vagues et du frottement sur l’eau.
Le coefficient de portance (Cz) dépend de la masse, de la surface portante et de la vitesse. Sa valeur fréquente se situe entre 0,4 et 0,7 à la vitesse de croisière. La portance est définie par la formule F = q S Cz, où q représente la pression dynamique (1/2 rho V²). Le Cx, ou coefficient de traînée du foil, dépend du profil et de son état de surface. L’angle d’incidence d’un hydrofoil est l’angle entre la corde du profil et l’écoulement. La portance augmente avec l’incidence. Il est important de noter que la traînée est d’autant plus importante que la vitesse est élevée, pouvant atteindre la puissance sixième de la vitesse dans certains régimes.
L’explication scientifique de la portance : Au-delà des idées reçues
L’explication de la portance est complexe et se prête difficilement à la simplification. Elle fait appel aux lois de Newton, aux équations de Bernoulli, celles de Navier-Stokes et d’Euler, ainsi qu’aux travaux de Kutta-Jukowski. Les moteurs de nos voiliers, planches et kites sont des aérofoils ou hydrofoils, et beaucoup se demandent encore comment ils fonctionnent réellement.
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Pendant longtemps, la portance a été expliquée comme étant semblable au ricochet d’un caillou plat sur l’eau, une théorie basée sur la troisième loi de Newton. Cette explication est toutefois incomplète car elle ne prend en compte que l’interaction du fluide sur l’intrados. Une autre théorie courante, celle du temps de transit équivalent basée sur le théorème de Bernoulli, suggère que les molécules d’air ou d’eau se séparent au bord d’attaque et doivent se retrouver au même moment au bord de fuite, forçant une accélération sur l’extrados. Bien que le théorème de Bernoulli soit central dans la compréhension des fluides, cette vision simpliste est souvent critiquée. La réalité est une combinaison de la déflexion du fluide (loi de Newton) et de la différence de pression induite par la courbure et l’incidence du profil (Bernoulli et circulation).
Histoire et évolution des foils
L’idée de l’hydrofoil n’est pas nouvelle. Au début du XXe siècle, des ingénieurs expérimentaient déjà des hydroptères. L’inventeur italien Enrico Forlanini a développé l’un des premiers hydroptères fonctionnels en 1906. En 1964, l’ingénieur américain Alexander Graham Bell et son assistant Frederick W. Baldwin ont développé le HD-4, un hydroptère capable d’atteindre des vitesses impressionnantes.
Dans le domaine des sports nautiques, il a toutefois fallu attendre les années 1990 pour que les foils suscitent un intérêt notable. Ils ont d’abord été utilisés dans la voile, notamment dans la Coupe de l’America. Des pionniers comme Éric Tabarly ont été parmi les premiers à expérimenter avec les foils pour améliorer les performances des voiliers et réduire la surface de contact avec l’eau. Les premières utilisations étaient expérimentales, mais elles ont rapidement montré leur potentiel. Le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a marqué une étape majeure en démontrant des capacités de vitesse supérieures à 50 nœuds.
Domaines d’application des hydrofoils
Les foils sont utilisés dans une grande variété de disciplines nautiques :
- Kitefoiling : L’hydrofoil a ouvert de toutes nouvelles possibilités dans le domaine du kitesurf. Lorsque le vent est faible et que les planches de kitesurf traditionnelles sont difficilement maniables, une planche à foil peut être utilisée avec une traction réduite.
- Surf foiling : Le foil est monté sous une planche de surf. Le surfeur pagaie, et dès qu’il prend une vague, la planche se soulève. Le foil permet de glisser très longtemps sur une petite vague, car la planche ne subit pratiquement aucune perte de friction.
- SUP-foiling : Le foil a fait son apparition dans le stand-up-paddle, permettant aux pagayeurs expérimentés de surfer sur de petites vagues ou de naviguer sous le vent.
- Wing-foiling : L’une des disciplines les plus récentes consistant à tenir une aile gonflable dans les mains tout en étant debout sur une planche de foil, utilisant le vent pour se déplacer.
- Voile de compétition : Des courses comme le Vendée Globe et la Coupe de l’America utilisent des foils pour maximiser la vitesse et l’efficacité en minimisant la traînée.
La révolution électrique : eFoil et Foil Assist
Les eFoils sont des planches de surf électriques équipées d’un hydrofoil intégré et d’un moteur électrique sans émissions. Ils sont contrôlés à l’aide d’une télécommande sans fil. L’autonomie des batteries des eFoils modernes est d’environ 60 à 90 minutes, avec un temps de recharge variant de 1,5 à 3 heures. Il est possible d’atteindre des vitesses allant jusqu’à 50 km/h. Les planches sont généralement fabriquées en fibre de carbone.
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Le premier eFoil commercial a été lancé en 2018 par la société Lift Foils, suivie par Fliteboard en 2019. En 2022, Aerofoils a révolutionné le marché avec le premier Jetfoil. Parallèlement, l’innovation hybride « Foil Assist » est une nouvelle technologie qui se situe entre le foiling pur et l’eFoiling. Il s’agit d’un petit système électrique d’assistance qui aide le rider au démarrage ou dans des conditions difficiles, sans pour autant remplacer l’aspect physique du foiling traditionnel.
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