La navigation à la voile repose sur une interaction complexe entre deux fluides de densités radicalement différentes : l'air et l'eau. Pour comprendre pourquoi un voilier avance, il est impératif d'analyser le comportement des écoulements fluides autour des profils aérodynamiques (la voile) et hydrodynamiques (la carène, la dérive et le safran). La performance d'un navire est intimement liée à sa capacité à optimiser le coefficient de portance dans ces deux milieux.
Les principes fondamentaux de la portance
Lorsqu'un profil, qu'il s'agisse d'une aile d'avion ou d'une voile, se déplace dans un fluide, il subit une force aérodynamique. Cette force est le résultat de la différence de pression entre l'intrados et l'extrados. Ce phénomène s'explique par le théorème de Bernoulli et l'équation de continuité. Dans le cas d'un écoulement fluide horizontal, lorsque la vitesse d'écoulement augmente, la pression diminue. En arrivant sur l'aile, le fluide passant au-dessus se retrouve dans la situation d'un courant arrivant dans un tuyau rétréci : il accélère, créant une dépression sur l'extrados, tandis qu'une surpression se forme sur l'intrados. Cette différence crée une force ascendante, ou portance, notée Fz.
La formule générale exprimant cette force est Fz = q S Cz, où q est la pression dynamique, S la surface de référence et Cz le coefficient de portance. Ce dernier est un nombre sans dimension qui dépend principalement de l'angle d'incidence (ou angle d'attaque) du profil par rapport au vent relatif. Lorsque l'angle augmente, la portance s'accroît jusqu'à atteindre un maximum, au-delà duquel survient le décrochage. Contrairement à la traînée, le Cz dépend peu du nombre de Reynolds, ce qui le rend relativement constant dans certaines plages d'utilisation.
Interaction entre les milieux : Air et Eau
La densité de l'eau est environ mille fois plus grande que celle de l'air. Toutes choses égales par ailleurs, elle exerce donc une poussée mille fois plus grande. Pour une vitesse dix fois plus faible, la portance d'une aile immergée (foil) est encore dix fois plus forte que celle d'une aile d'avion. Un mètre carré d'aile d'avion de ligne porte 600 à 700 kg ; un mètre carré de foil peut porter 6 à 10 tonnes. C'est pour cette raison qu'un dériveur possède une dérive proportionnellement plus petite que la voile.
Lorsque le voilier avance, la force hydrodynamique produite par le plan antidérive (quille, dérive, safran) s'oppose à la force de dérive générée par la voile. Cette force hydrodynamique ne peut se produire qu'à partir d'une certaine vitesse. En dessous d'un certain seuil, le bateau est dit « non manœuvrant » car les filets d'eau ont décroché le long du plan antidérive. La carène, qui est la partie immergée du bateau, procure une résistance à l'avancement appelée force de résistance de carène (Fr). C'est pour éliminer cette Fr que des architectes comme Tabarly ont commencé à concevoir des hydroptères (foils) pour sortir la coque de l'eau.
Lire aussi: Comment le coefficient de marée affecte le surf
Planning et dynamique de carène
Le passage du mode archimédien (le bateau flotte grâce à la poussée d'Archimède) au mode planning modifie radicalement la répartition des forces. Un bateau arrêté flotte grâce à la poussée d'Archimède qui s'oppose au poids. À mesure qu'il prend de la vitesse, la force de portance Po apparaît. Lorsque le bateau est au planning, la force principale s'appliquant sur la coque est la force de portance, et la poussée d'Archimède tend à s'annuler. Le bateau ne flotte plus au sens traditionnel, il se déplace à la surface de l'eau.
Ce phénomène est favorisé par certaines formes de coque. Par exemple, les bateaux à carène en voûte fermée ont tendance à survoler les vagues. La surface mouillée, qui correspond à l'empreinte laissée par le bateau sur l'eau, joue un rôle crucial. Plus la surface mouillée est faible, plus la traînée est réduite. C'est pourquoi la « chasse au poids » est une pratique constante, du dériveur léger au grand trimaran de course au large. L'utilisation de matériaux composites et l'optimisation des formes permettent de réduire le volume d'eau déplacé, augmentant ainsi les performances.
Effets de carène et stabilité latérale
La déformation de la surface mouillée dans le sens latéral influence la trajectoire du navire, c'est ce qu'on appelle l'effet de carène. La forme de la carène à l'arrêt est différente de celle du bateau à la gîte. Lorsque le bateau gîte, la déformation des lignes de flottaison se fait sous le vent, ce qui produit un couple de virage forçant le bateau à lofer. À l'inverse, une contre-gîte déforme la carène au vent, provoquant un abattée.
Un équipage centré et groupé permet au bateau de naviguer dans ses lignes et d'éviter des frottements néfastes. Toutefois, une légère gîte peut parfois réduire la surface mouillée, améliorant ainsi la vitesse. Il faut cependant veiller à ne pas dépasser un angle critique, car un bateau trop gîté déplace un volume d'eau plus important, ce qui génère un effet de ralentissement préjudiciable. Sur les planches à voile, l'effet de carène (lorsque le flotteur n'est pas au planning) et l'effet de care (lorsqu'il est au planning) sont les techniques fondamentales pour diriger l'embarcation, le pratiquant utilisant son poids et l'angle de son flotteur pour modifier l'écoulement hydrodynamique.
Phénomènes complexes : Cavitation, Ventilation et Décrochage
À haute vitesse, des phénomènes indésirables peuvent apparaître. Le « spin-out » en est un exemple courant en planche à voile : il s'agit d'un dérapage du flotteur causé par trois phénomènes distincts. La ventilation se produit lorsque l'air est aspiré sous la planche, formant une bulle d'air autour de l'aileron, ce qui annule sa portance. Le décrochage survient lorsque l'écoulement de l'eau devient turbulent et chaotique au niveau de l'aileron. Enfin, la cavitation, qui n'apparaît qu'à des vitesses dépassant les 50 nœuds, transforme l'eau autour de l'aileron en vapeur en raison de la dépression extrême générée.
Lire aussi: Comprendre le coefficient de marée
L'évolution des formes de voiles a suivi une progression similaire à celle des ailes d'avion, à la recherche des meilleurs coefficients de portance et de traînée. La finesse, rapport du coefficient de portance sur le coefficient de traînée, est l'indicateur clé de la performance. L'allongement des voiles triangulaires, par exemple, augmente nettement les performances aux allures de près. Il faut néanmoins éviter de concentrer la portance en bout d'aile, car la différence de pression entre l'intrados et l'extrados crée des tourbillons marginaux qui nuisent au rendement global.
Lire aussi: Tout savoir sur le Coefficient de Résistance Visqueuse en hydrodynamique navale