Le monde des sports nautiques a été profondément transformé par une innovation majeure : le foil. Cette technologie a révolutionné les pratiques de glisse, offrant des sensations inédites et ouvrant de nouvelles perspectives pour les passionnés. Des disciplines telles que le kitefoil, le windfoil, le wingfoil, le supfoil ou encore le dock foil connaissent une popularité croissante grâce à la capacité qu'offre le foil de s'élever au-dessus de la surface de l'eau. Pour comprendre cette révolution, il est essentiel de se plonger dans la définition, les composantes, les principes de fonctionnement et les diverses applications de cet élément fascinant.
Les Composantes Clés d'un Système de Foil : Mât, Fuselage et Ailes
Le foil n'est pas un bloc monolithique, mais un système articulé composé de plusieurs éléments fondamentaux qui travaillent en synergie pour permettre la navigation "en vol". Le foil est toute la partie placée sous la planche qui est fixée par quatre vis à la board, directement au mât. Chaque pièce joue un rôle crucial dans la performance, la stabilité et la maniabilité de l'ensemble.
Le mât d'un foil est une pièce essentielle, souvent fabriquée en aluminium ou en carbone. C'est l'élément structurel qui assure la jonction entre la planche et le set d'aile avant et arrière, également appelé le stabilisateur. Le choix du matériau a un impact significatif sur les caractéristiques du foil : le carbone, par exemple, reste le matériau le plus léger et le plus maniable, contribuant ainsi à une meilleure réactivité. Il est important d’avoir conscience de la dangerosité de cette partie d’un foil, en raison de sa rigidité et de sa présence sous l'eau. Pour débuter en kitefoil, il est conseillé de commencer par un mât plutôt court pour trouver plus rapidement la stabilité pendant la navigation. Les types de spot seront aussi déterminants pour savoir quelle est la taille de mât la plus adaptée.
Le fuselage d'un foil représente la partie centrale de la structure. Sa fonction principale est de relier les ailes au mât, agissant comme l'épine dorsale du système. Le fuselage est un élément crucial de la structure du foil, car il assure la stabilité et la rigidité de l'ensemble. En outre, le fuselage permet également de positionner correctement l'aile par rapport au mât. Ce positionnement est déterminant car il influence directement les performances du foil en matière de portance et de maniabilité.
L'aile avant est la composante principale du foil responsable de la génération de portance. Elle est située à l'avant du fuselage. Sa conception est spécifiquement pensée pour interagir avec l'eau de manière à créer une force ascendante. Cette force est celle qui soulève le rider et le matériel au-dessus de la surface de l'eau, permettant ainsi le "vol" tant recherché.
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L'aile arrière, souvent désignée sous le nom de stabilisateur, est une autre partie essentielle du foil. Elle se situe à l'arrière du fuselage et joue un rôle crucial dans la stabilité et le contrôle de la planche. Lorsque le foil est en mouvement sur l'eau, le stabilisateur intervient pour réguler le tangage, c'est-à-dire les mouvements d'avant en arrière de la planche. La fonction principale de l'aile arrière est de générer une portance qui aide à équilibrer la planche et à maintenir une position stable, surtout à grande vitesse. Le stabilisateur est donc la partie du foil qui vient stabiliser l’axe de tangage d’avant en arrière.
Principes Hydrodynamiques : Le Fonctionnement du Foil par la Portance
Un foil fonctionne sur un principe fondamental de la mécanique des fluides, très similaire à celui d'une aile d'avion. Ce mécanisme est la clé qui permet au support de s'élever hors de l'eau. L'aile avant transmet une force de portance à la planche de foil. Plus la vitesse de déplacement est grande, plus elle génère sur le foil une portance hydrodynamique, ce qui permet de s'élever au-dessus de la surface de l'eau.
Le processus peut être décrit en plusieurs étapes distinctes :
La forme du foil est un élément déterminant. Un foil est généralement conçu avec une forme profilée, souvent en forme d'aile. Cette géométrie est spécifiquement élaborée pour créer une différence de pression entre le dessus et le dessous de la surface du foil lorsqu'il se déplace dans l'eau. Le foil a une forme profilée qui donne à son côté supérieur bombé (extrados) une longueur plus importante que celle de son côté inférieur (intrados), qui lui, est plat.
Le mouvement dans l'eau est le déclencheur. Lorsque le foil est immergé et qu'un bateau ou un autre engin se déplace à une certaine vitesse, l'eau s'écoule autour du foil. La forme profilée du foil fait que l'eau se déplace plus rapidement sur le dessus (extrados) que sur le dessous (intrados). Les molécules d’eau situées au-dessus du foil sont ainsi accélérées pour arriver en même temps que celles qui sont passées sous le foil, malgré une distance plus importante à parcourir.
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Cette différence de vitesse engendre la création de portance. Selon le théorème de Bernoulli, à altitude égale, la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et inversement. C'est pourquoi cette différence de vitesse crée une différence de pression : la pression est plus faible au-dessus du foil et plus élevée en dessous. Cette différence de pression génère une force de portance qui soulève l’ensemble au-dessus de la surface de l'eau. C’est la différence de pression entre l’intrados et l’extrados du foil qui crée la force de portance, résultant d'un déplacement de l’eau de la zone de pression élevée vers la zone de faible pression.
L'objectif de ce transfert de portance est de réduire totalement le frottement de la planche et de réduire la puissance nécessaire à la vitesse. En soulevant le support, le foil entraîne une réduction de la traînée hydrodynamique. Cela diminue le contact avec l'eau, ce qui vous permet d'atteindre des vitesses plus élevées avec moins d'effort. Le navire est alors « porté par ses ailes » et se comporte comme un avion. La vitesse du navire augmente au fur et à mesure que sa coque sort de l’eau.
En mécanique des fluides, on quantifie ces phénomènes par des coefficients. Le Cz ou coefficient de portance dépend de la masse, de la surface portante et de la vitesse. Sa valeur fréquente est de 0,4 à 0,7 à la vitesse de croisière. La portance est F = q S Cz, avec q = pression dynamique = 1/2 rho V² et rho = masse volumique du fluide. Le Cx ou coefficient de traînée du foil dépend du profil et de son état de surface. L’angle d’incidence d’un hydrofoil (surface portante ou gouverne) est l’angle entre la corde du profil (droite joignant le bord d’attaque au bord de fuite) et l’écoulement (le vecteur vitesse local). La portance augmente avec l’incidence, ce qui est appelé la pente de portance. Un gouvernail, qui est une surface verticale à profil symétrique, a un angle d’incidence égal à zéro lorsque le gouvernail est dans l’axe du bateau, sous réserve que le bateau ne dérive pas (n’avance pas en crabe).
Définition Générale du Foil : Une Aile Profilée en Milieu Aquatique
Pour commencer, en mécanique des fluides, un foil ou un hydrofoil est une aile profilée qui se déplace dans l’eau. Ensuite, elle transmet une force de portance à son support. La vitesse de déplacement génère sur le foil une portance hydrodynamique. Elle est 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. La force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale. Dans cette situation, la partie immergée de la coque (carène) n’a plus de fonction « archimédienne ».
Les Paramètres de Conception et Leurs Impacts sur la Performance
Les performances et les sensations offertes par un foil sont intrinsèquement liées à ses paramètres de design. Ces caractéristiques influencent la portance, la stabilité, la maniabilité et la vitesse du foil. Les paramètres de design d'un foil comprennent la surface de l'aile, le profil, l'aspect ratio, la longueur du fuselage et la longueur du mât.
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La surface de l'aile est un paramètre fondamental. Plus la surface des ailes d’un foil est importante, plus elle procure de la portance, ce qui rend un foil plus facile d'accès et plus maniable. C'est pourquoi les foils à grande surface sont souvent recommandés pour les débutants. À l'inverse, moins de surface des ailes induit moins de portance, ce qui rend un foil plus performant en vitesse mais plus technique, destiné à des riders expérimentés.
Le profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d’une aile portante. Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques, incluant les coefficients de portance, de traînée et de moment en tangage. Les profils les plus connus, comme ceux classés NACA, sont géométriquement catégorisés par familles, en fonction de la distribution d’épaisseur, de la cambrure et de l’épaisseur. Le profil est choisi en fonction de critères principaux : la cambrure, qui est fonction du coefficient de portance (Cz) demandé et constitue le critère le plus important ; l'épaisseur, qui conditionne la résistance en flexion de l'aile et sa déformation sous charge, en fonction de la portée ; et la vitesse, qui dicte la distribution de l’épaisseur et des pressions dynamiques pour éviter la cavitation.
L'aspect ratio d'un foil, également appelé allongement, est un terme qui décrit la relation entre la longueur de l'aile et sa largeur. Plus précisément, il est calculé en divisant la longueur de l'aile par sa largeur. Un aspect ratio élevé signifie que l'aile est longue et étroite, tandis qu'un aspect ratio bas indique qu'elle est plus courte et plus large. Un aspect ratio élevé est souvent associé à une meilleure performance en termes de portance et d'efficacité, car il réduit la traînée. Cela permet au foil de glisser plus facilement à travers l'eau, ce qui est particulièrement avantageux pour les vitesses élevées. En revanche, un aspect ratio plus bas peut offrir une meilleure maniabilité et une plus grande stabilité, ce qui peut être souhaitable dans certaines conditions ou pour des styles de navigation spécifiques comme le surf foil. Les foils à faible allongement ont une envergure plus courte et sont plus ronds, ce qui leur permet d'être plus maniables et d'offrir une portance à des vitesses plus faibles. Ils restent idéaux pour débuter. Les foils à allongement moyen offrent un bon équilibre entre portance, vitesse et manœuvrabilité et sont donc polyvalents dans différentes conditions. Les foils à grand allongement ont une plus grande envergure, de meilleures caractéristiques de planning et restent en vol à des vitesses inférieures à celles des foils à faible allongement. Ils sont donc particulièrement adaptés pour maximiser l'efficacité et les performances, notamment dans les vents légers, les petites vagues et pour le pumping. Ces derniers restent destinés aux pratiquants d’un niveau intermédiaire ou expert.
La longueur du fuselage a également un impact direct sur le comportement du foil. Plus le fuselage est long, plus le foil est stable. À l'inverse, plus le fuselage est court, plus le foil est maniable et agile. Pour les débutants, il est conseillé de choisir un fuselage moyen à long (70 cm ou 76 cm) pour une stabilité suffisante. Les riders confirmés peuvent varier la longueur du fuselage en fonction de leur style de navigation. Les fuselages plus courts offrent une meilleure maniabilité et plus de pop lors des sauts, tandis que les fuselages plus longs permettent une meilleure stabilité directionnelle à vitesse élevée et une plus grande stabilité en inclinaison.
Enfin, la longueur du mât est un autre facteur d'adaptation. Un mât plus court (75 cm) facilite le contrôle du vol et de la planche, ce qui est un avantage certain pour les débutants. La longueur du mât peut varier entre 75, 82 et 90 cm en fonction de la zone et des conditions de navigation. Un mât court convient aux endroits où le niveau de l'eau est peu profond. En eau peu profonde sur un spot flat, ou encore sur les spots à fort coefficient de marée basse, il est conseillé d’avoir un mât court afin de ne pas accrocher les fonds marins pour éviter la chute ! Il est recommandé d'opter dans ce genre de contexte pour un mât allant de 70 à 90 cm. Un mât de 82 cm peut être utilisé pour le freeride, le freestyle et les vagues, offrant un bon compromis. Un mât de 90 cm, ou même plus long (entre 95 et 120 cm), convient aux spots avec une houle plus forte et aux wingfoilers qui recherchent la vitesse maximale et encore plus de performances.
L'Évolution Historique du Foil : Des Premiers Concepts aux Voiliers Volants
L'origine du foil est lointaine, et son concept a connu une longue évolution avant de devenir l'élément technique sophistiqué que nous connaissons aujourd'hui dans les sports de glisse.
C’est en 1861 que le concept du foil a vu le jour sous l’impulsion de l’ingénieur civil britannique Thomas William Moy. Il fut le premier à placer trois foils horizontaux en bois sous la coque d’un canot. Tiré par un cheval sur le Surrey Canal, le canot se souleva au-dessus de l’eau, marquant une première étape expérimentale.
Cette idée fut ensuite reprise par le français Charles De Lambert en 1885 avec la construction d’un catamaran équipé de tonneaux en guise de coque. De Lambert réalise « une sorte de catamaran » avec des tonneaux fixés deux par deux l’un derrière l’autre.
En 1897, De Lambert récidive en créant le premier hydroptère autopropulsé à vapeur avec le britannique Horatio Philips. Une dizaine d’années plus tard, De Lambert et Phillips construisent cet hydroptère, un catamaran supporté par quatre hydrofoils transversaux d’une surface totale de 5,10 m². La même année, de l’autre côté de l’Atlantique, ce sont les Américains William & Larned Meacham qui remorquent un canot doté de foils avant et arrière, montrant un intérêt grandissant pour cette technologie.
À l’aube du 20ème siècle, en 1904, De Lambert est à l’origine du premier hydroptère autopropulsé à l’aide d’un moteur à explosion de Dion de 14 cv. Deux ans plus tard, en 1906, c’est au tour de l’italien Enrico Forlanini d’apporter sa pierre à l’édifice et de faire évoluer le foil avec la conception d’un hydroptère motorisé capable d’atteindre la vitesse de 38 nœuds, une performance remarquable pour l'époque.
Pendant une quarantaine d’années, la technique des foils s’améliore et séduit dans un premier temps les concepteurs de navires à moteur. Ainsi de suite, des bateaux quelquefois très « originaux » vont voir le jour tout autour de notre planète.
Plus récemment, à la fin des années 70, le célèbre navigateur Eric Tabarly fait entrer le foil dans une nouvelle ère avec son trimaran, le Paul Ricard, avec lequel il bat le record de la traversée de l'Atlantique en 10 jours et 5 heures, démontrant le potentiel du foil dans la course au large.
Issu du monde nautique, notamment des voiliers de courses, le foil est apparu ensuite en Windsurf et Kitesurf avant de toucher finalement presque toutes les disciplines de glisse sur l’eau. Aujourd’hui, toujours à la pointe des dernières technologies et du développement, des marques comme Duotone Foilwing proposent une gamme complète de foils adaptés aux différentes pratiques.
L'intégration des foils a également marqué les courses océaniques modernes. Les foilers monocoques de la course en solitaire autour du monde « Vendée Globe » sont apparus en 2016, mais ils ne volent pas. En effet, « la jauge IMOCA » interdisant un plan porteur (foil) sur un safran. Les architectes navals de CDK Technologies ont construit l’Imoca Charal en faisant évoluer la forme de sa coque pour aboutir « à une coque novatrice, avec une étrave très frégatée, un tableau arrière très arrondi et fermé ». Sur la « Route du Rhum », cette problématique ne s’applique pas aux trimarans qui deviennent des « trimarans volants ». C’est le cas des grands multicoques « Ultimes » qui alimentent le débat entre « performances et sécurité ». La Route du Rhum 2018 a servi de « galop d’essais » aux skippers de ces géants des mers équipés de foils. Le but étant d’atteindre des vitesses élevées en décollant de la surface de l’eau. Depuis, la révolution du foil a envahi tous les spots, permettant de naviguer dans de nouvelles conditions.
Adaptation du Foil aux Divers Sports de Glisse Nautique : Choix et Spécificités
La polyvalence du foil lui a permis de s'adapter à une multitude de sports nautiques, chacun avec ses exigences et ses spécificités. Pour la pratique du foil, il est important de choisir un foil adapté à votre niveau et à vos objectifs. En général, les foils avec une aile avant plus grande procurent plus de portance et de stabilité et seront destinés aux débutants. À mesure que vous progressez, vous pouvez opter pour des ailes plus petites qui permettent des vitesses plus élevées et des manœuvres plus agiles. Les marques leaders comme Duotone Foilwing proposent des gammes complètes de différents foils pour les riders débutants, intermédiaires ou experts. Vous trouverez aussi des foils spécifiques pour votre pratique favorite comme le kitefoil, le windfoil, le wingfoil, le supfoil, le dockfoil.
Pour les débutants et les novices, un foil avec une grande aile avant permettant un vol stable est le mieux adapté. La taille optimale du foil pour les débutants se situe entre 1700 et 2000 cm². Les débutants doivent choisir un fuselage moyen à long (70 cm ou 76 cm) pour une stabilité suffisante. Un mât plus court (75 cm) facilite le contrôle du vol et de la planche.
Les riders confirmés peuvent varier la longueur du fuselage en fonction de leur style de navigation. Les fuselages plus courts offrent une meilleure maniabilité et plus de pop lors des sauts, tandis que les fuselages plus longs permettent une meilleure stabilité directionnelle à vitesse élevée et une plus grande stabilité en inclinaison. La longueur du mât peut varier entre 75, 82 et 90 cm en fonction de la zone et des conditions. Un mât court convient aux endroits où le niveau de l'eau est peu profond. Un mât de 82 cm peut être utilisé pour le freeride, le freestyle et les vagues. Un mât de 90 cm convient aux spots avec une houle plus forte et aux wingfoilers qui recherchent la vitesse maximale.
Kitefoil : Les débutants avec un gabarit entre 70 et 80 kg en kitefoil devront déjà maîtriser la pratique du kitesurf. Ils choisiront un set d’ailes d’une surface d’environ 1400 cm² pour plus de portance, un fuselage entre 65 à 75 cm et un mât d’une longueur de 80 à 85 cm. Les riders avec un niveau de pratique maîtrisée feront le choix d’un set d’aile et d’un fuselage plus petit, d’un mât plus long, entre 95 et 120 cm, pour encore plus de performances et de vitesse. Il est nécessaire d’avoir un bon niveau de kitesurf pour apprendre à utiliser un foil.
Windfoil : Pour les débutants avec un gabarit entre 70 et 80 kg en windfoil, il est indispensable d'avoir déjà une bonne technique du windsurf. Ils choisiront un set d’ailes d’une surface d’environ 1500 cm² pour plus de portance, un fuselage entre 85 à 90 cm et un mât d’une longueur de 80 à 85 cm. Idem que pour la pratique du kitesurf, les riders avec un niveau de pratique maîtrisée feront le choix d’un set d’aile et d’un fuselage plus petit et d’un mât plus long. Il est également nécessaire d’avoir un bon niveau de windsurf pour apprendre à utiliser un foil.
Wingfoil : Débuter en wingfoil pour un rider avec un gabarit entre 70 et 80 kg nécessite un set d’ailes d’une surface d’environ 1700 cm² pour avoir de la portance et un décollage rapide, un fuselage entre 70 à 75 cm et un mât d’une longueur de 80 à 85 cm. Un rider intermédiaire réduira ensuite ses caractéristiques pour toujours plus de performances. Il ne faut pas oublier qu’un set d’ailes avec une grande surface reste incontrôlable dans des conditions de vents soutenues ; votre foil va toujours monter jusqu'à sortir de l’eau et provoquer une chute.
Surfoil : Le surfoil a pour avantage indéniable de permettre de pratiquer le surf lorsque les vagues sont plus petites. Il permet d’optimiser les faibles conditions de vagues et de sauver un grand nombre de sessions. Pour débuter en surf foil, il est conseillé de choisir un foil d’une surface de 1000 à 1300 cm² qui va maximiser le contrôle. Avec la pratique, il est pertinent de se diriger vers des types d’ailes plus petites à profil fin et un aspect ratio élevé pour plus d’accélération, plus de vitesse et plus de dynamisme.
Supfoil et Downwind Foil : La pratique du supfoil est de plus en plus orientée vers le downwind foil, une pratique de glisse qui consiste à naviguer à la rame sur une planche équipée d'un foil en suivant la direction du vent et des vagues. Il est essentiel de choisir un foil qui offre à la fois portance et stabilité, tout en étant capable de gérer les conditions de mer et de vent variables. Pour des conditions de vent faible, un foil plus grand avec une surface de portance plus importante est préférable.
Certaines marques ont conçu des planches de surf adaptées pour recevoir un foil et d’autres de sup foil pour le stand up paddle. Enfin, la grande nouveauté de ces dernières années s’appelle le wingfoil. Que ce soit en kitesurf, en windsurf et maintenant en wing, il est possible de pratiquer le foil dans la majorité des clubs et écoles. Il est également possible d'apprendre dans le cadre d’un stage encadré ou de profiter d’une location. La majorité des ION CLUBS sont équipés en wing et kitefoil pour permettre de naviguer toujours plus longtemps. Nous parlons aujourd’hui de Kitefoil, Windfoil, Wingfoil, SUPfoil, Surf-foil et Wakefoil.
Configurations Spécifiques d'Hydrofoils : Au-delà des Bases
Au-delà des systèmes de foils courants, des configurations plus complexes ou historiquement importantes ont marqué le développement des hydrofoils, offrant des approches différentes pour le "vol" sur l'eau.
Les hydrofoils à surface variable, traversant la surface, souvent désignés comme des "foils à échelle", représentent le système le plus ancien. Ces configurations utilisaient plusieurs plans superposés, créant une sorte d'échelle sous la coque. Cependant, ce système n’est plus utilisé de nos jours. Sa complexité de construction et la forte traînée due aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs ont rendu cette approche obsolète face aux avancées technologiques.
Par contraste, les hydrofoils à surface fixe immergée représentent une configuration moderne et efficace. Dans ce cas, la surface portante est entièrement et constamment immergée sous l’eau. L’avantage principal de cette configuration est sa capacité à isoler la planche de l’effet des vagues et du frottement sur l’eau, offrant une navigation plus douce et plus stable. Les supports ou montants, ou « jambes », qui relient les foils à la planche ne contribuent généralement pas à la portance, leur rôle étant purement structurel. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé. Cependant, elle n’est pas naturellement stable en tangage et en roulis, nécessitant souvent des systèmes de stabilisation additionnels. D’autre part, un élément caractéristique est que la surface portante est constante, quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol.
Dans le cas des monocoques à déplacement, la situation est différente par rapport aux multicoques volants. Sur un voilier à carène à déplacement, ce type de bateau à voile répond au principe d’Archimède. Il ne déjauge pas et pousse l’eau pour avancer, ce qui ne lui permet pas de dépasser une vitesse théorique en relation avec la longueur de flottaison. Le fond de coque légèrement en forme de « V » assure la stabilité de cap. Sur un voilier à déplacement, c’est la voile qui fournit la propulsion longitudinale, appelée propulsion vélique, introduisant alors un paramètre relativement complexe nommé « couple de chavirement ». Il faut en tenir compte dans la composante latérale de la force propulsive du voilier et la gérer. On explique ainsi que sur un moth, il est évident que c’est le déport du barreur et de sa masse corporelle, combinés à la distance horizontale entre le centre de portance du foil et sa position, qui génèrent le couple qui va stabiliser le bateau et l’empêcher de chavirer. Si l’on veut de la puissance sur ces monocoques, il est nécessaire que la surface de voile soit suffisante pour générer de la force propulsive, induisant alors la vitesse du voilier mais également une force non négligeable qui pourrait intervenir pour faire chavirer ce dernier. Pour contrecarrer le couple de chavirage ainsi créé, on va déplacer au vent le centre de gravité du bateau en utilisant une quille pendulaire et des ballasts liquides. Il est donc pratiquement impossible que des foils installés sur un monocoque à déplacement puissent extraire totalement la coque hors de l’eau. Les foils peuvent néanmoins être utilisés en créant une portance antidérive qui s’ajoute à la portance verticale afin de supprimer les dérives transversales.