Dans le monde fascinant de la voile, comprendre l'aérodynamique des voiles est essentiel. C'est cet aspect qui permet à un voilier de se déplacer sur l'eau, en interagissant avec le vent pour générer des forces qui le propulsent à travers les vagues.
Introduction à l'aérodynamique des voiles
La science de l'aérodynamique des voiles repose sur l'interaction complexe entre les différences de pression et la direction du vent. Pour qu'une voile fonctionne efficacement, elle doit être correctement formée, soit par la coupe du tissu lui-même, soit par un gréement réglable.
Le principe de Bernoulli
Le principe de Bernoulli stipule que l'air qui se déplace plus rapidement produit une pression plus faible. Ce principe est fondamental pour comprendre comment une voile crée de la portance.
Exemples de voiles
Prenons l'exemple de la grand-voile et du foc, les deux voiles principales sur la plupart des types de bateaux à voile. La grand-voile est la plus importante pour remonter le vent, tandis que le foc permet d'équilibrer le bateau et d'augmenter sa vitesse.
Considérons également une voile asymétrique (spinnaker) utilisée par vent arrière.
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Comment le vent propulse les voiliers
Lorsque le vent souffle sur les voiles, il crée des différences de pression sur diverses surfaces. La forme des voiles est un facteur crucial dans la façon dont elles interagissent avec le vent. Une fois que tu as saisi les principes qui régissent l'aérodynamique des voiles, il devient assez facile de comprendre la science qui la sous-tend.
Différentes conditions de vent et techniques de navigation
Si tu considères différentes conditions de vent, tu observeras différentes techniques de navigation :
- Vent arrière : La grand-voile et le foc sont déployés au maximum, dans une position dite de "course".
- Au reaching : Les voiles sont déployées à mi-course.
- Au près : Les voiles sont bien rentrées.
L'angle d'incidence
L'angle d'incidence entre la voile et le vent est crucial. L'angle d'incidence générant la Force vélique la plus importante est voisin de 20-22°. Il correspond aux repères d’alignement des penons (ou de la limite de faseyement) traduisant un écoulement laminaire autour de la voile.
Exemples et applications spécifiques
En plongeant plus profondément dans le monde de la voile, ta compréhension de l'aérodynamique des voiles sera enrichie par l'examen d'exemples et d'applications spécifiques, du point de vue des études théoriques et de la mise en œuvre pratique.
La Coupe de l'America 2010
En 2010, lors de la 33e Coupe de l'America, l'équipe a utilisé sur son multicoque une gigantesque voile aile, un profil vertical solide, à la place des voiles en tissu traditionnelles. La voile aile, étant une structure rigide, tenait mieux sa forme et était plus efficace pour créer de la portance et réduire la traînée.
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Applications dans d'autres domaines
Outre la voile, les principes de l'aérodynamique des voiles trouvent également des applications dans de nombreux autres domaines.
Éoliennes
Prends l'exemple des éoliennes ; leurs voiles ou leurs pales fonctionnent selon des principes similaires à ceux d'une voile. La conception et l'orientation des pales sont telles que lorsque le vent passe devant elles, une force de portance est générée, ce qui fait tourner les pales.
Histoire de l'aérodynamique des voiles
Pour comprendre les aspects techniques de la prise de décision dans le monde de la voile et l'univers fascinant de l'aérodynamique des voiles, il est essentiel de remonter le temps et de retracer l'évolution de ce domaine d'étude.
Les débuts
L'histoire de l'aérodynamique des voiles remonte à des milliers d'années, avant même l'ère commune, lorsque les premiers hommes ont commencé à explorer les plans d'eau pour la pêche, le commerce et l'exploration. Les premiers marins ont rapidement appris que pour obtenir une vitesse maximale, il ne suffisait pas de naviguer "sous le vent", et que les voiliers pouvaient même naviguer "contre le vent" - une révélation qui a donné lieu à la première innovation en matière d'aérodynamique des voiles. Les Grecs de l'Antiquité, vers le IVe siècle avant J.-C., étaient connus pour avoir développé des systèmes complexes de voiles multiples avec un gréement avant et arrière de forme triangulaire - des voiles qui courent le long de la ligne de la quille, plutôt que perpendiculairement à celle-ci.
Les développements au cours des siècles
- 18e siècle : La recherche scientifique a commencé à percer les secrets de l'aérodynamique des voiles de façon systématique.
- Fin du 18e et début du 19e siècle : Le passage du gréement carré au gréement avant et arrière.
- 20e siècle : Une étude détaillée de l'aérodynamique a ouvert la voie à l'optimisation de la forme et des matériaux des voiles.
- Fin du 20e siècle : Les voiliers de course très performants ont commencé à utiliser des voiles à ailettes.
- 21e siècle : La dynamique des fluides informatique permet aux scientifiques de simuler avec précision l'écoulement du vent autour des voiles et d'optimiser la conception des voiles avant même la construction d'un prototype.
Termes et concepts clés
Allures
Une allure, c’est l’angle pris par le bateau par rapport à la direction du vent. Il existe plusieurs allures :
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- Le près (45 à 60°) : c’est l’allure qui se rapproche le plus du lit du vent.
- Le travers (90°) : le vent est perpendiculaire à l’axe du bateau.
- Le largue (100 à 120°) : le vent provient de 3/4 arrière.
- Le vent arrière (120° et plus) : le vent provient de l’arrière du bateau.
Couche limite
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 elles freinent aussi les particules juste à coté d’elle ( jusqu’à un certain point ).
Force vélique
Cette force a son origine au Centre Vélique de la voile ( CV ) ( dans le premier tiers de la voile, proche du mât ) et 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.
Force hydrodynamique
La force hydrodynamique s’applique sur l’ensemble des éléments immergés de l’engin : La coque ; La dérive ; Le gouvernail ; L'hélice… La force hydrodynamique sur le plan vertical correspond à la force anti-dérive.
Poussée d’Archimède
« Un corps plongé dans un fluide subit une poussée verticale vers le haut égale au poids du fluide déplacé ».
Le planning
Un bateau est au planning quand il ne « flotte » plus, mais se déplace à la surface de l’eau.
Les voiles : Types et matériaux
Types de voiles
- Grand-voile : La voile située à l'arrière du mât.
- Focs : Les voiles situées à l'avant du mât. Elles sont nommées selon leur taille et leur coupe (de la plus petite à la plus grande) : tourmentin, yankee, foc, foc ou génois inter, génois et enfin le code0.
- Spinnaker : La voile ronde légère et généralement colorée utilisée par vent venant de l'arrière. Il en existe deux types: les symétriques et les asymétriques.
- Voile au tiers : C'est le type de voile le plus ancien en Europe.
- Voile latine : Introduite au IXe siècle, elle amorce le déclin de la voile au tiers en Méditerranée.
- Voile aurique : Évolution de la voile au tiers, elle augmente encore les performances en ramenant toute la surface en arrière du mât.
- Gréement bermudien : C'est actuellement la voile la plus répandue en plaisance du fait de son excellence et de l'aisance que l'on a à la manier.
Matériaux des voiles
- Voiles à l'ancienne : Fabriquées en forte toile de coton.
- Voiles modernes : Constituées de fibres synthétiques. Les voiles grand public sont en majorité fabriquées en polyester (ou dacron). Les voiles constituées de carbone, Mylar ou de kevlar sont utilisées pour les compétitions.
Les forces en jeu
Système des forces sur la voile et le bateau (aéro et hydrodynamiques)
- Les forces aérodynamiques : Pour expliquer le fonctionnement d’un voilier, il est utile de décomposer la force vélique par rapport à l’axe du voilier. La force vélique se décompose en : Force propulsive, dans le sens de la marche du voilier, Force de dérive, perpendiculaire à l’axe du voilier.
- Les forces hydrodynamiques : Force anti-dérive : générée par l’écoulement de l’eau sur la dérive du bateau, elle s’exerce perpendiculairement à l’axe du bateau (en s’opposant à la force de dérive). Force de résistance à l’avancement : résultante de l’ensemble des résistances hydrodynamiques, elle s’exerce dans l’axe du voilier (en s’opposant à la force propulsive). La Force hydrodynamique est la résultante de ces deux forces.
Lorsque la Force vélique est supérieure à la Force hydrodynamique, le bateau ACCELERE. Lorsque la Force vélique est inférieure à la Force hydrodynamique, le bateau RALENTIT. Lorsque la Force vélique est égale à la Force hydrodynamique, le bateau conserve (théoriquement) une VITESSE CONSTANTE.
Facteurs déterminant l’intensité de la Force vélique
- La vitesse du vent.
- L'angle d'incidence entre la voile et le vent.
- Le profil de la voile déterminé par les différents réglages : bordure, cunningham et hâle-bas.
- La surface et l'allongement de la voile.
Principes techniques généraux de la navigation au près
La navigation au près fait partie des allures indirectes. Elle s’impose lorsque l’on cherche à « remonter au vent » le plus vite possible, c’est à dire à obtenir la plus grande vitesse possible de gain au vent. Naviguer au près impose donc de « caler » sa trajectoire sur la direction du vent, ce qui amène le pratiquant à adopter les principes techniques suivants :
- Adopter un angle voile-bateau fermé.
- Maintenir un angle d’incidence voile-vent optimal grâce à la barre : « suivre le vent ».
- Gérer un« Compromis cap/vitesse ».