Le foil, un terme qui peut sembler technique, est en réalité une innovation fascinante qui transforme la façon dont nous interagissons avec l'eau. Cet article explore en profondeur le concept du foil, son histoire, ses applications variées, son fonctionnement et les avantages et inconvénients associés à son utilisation.
Introduction au Foil
Le foil, aussi appelé hydrofoil, est une structure immergée fixée sous une planche ou un bateau. Son rôle principal est de générer une portance hydrodynamique lorsque l'engin prend de la vitesse, soulevant ainsi l'embarcation au-dessus de la surface de l'eau. Cette technologie permet de réduire la résistance de l'eau, augmentant ainsi la vitesse et offrant une sensation de vol unique. Le terme "foiler" est dérivé de "foil", une contraction de "hydrofoil" (plan porteur profilé et immergé). Un bateau équipé de foils peut être défini comme un voilier qui utilise la portance dynamique liée à la vitesse d’un ou plusieurs plans porteurs immergés, en remplacement de la portance archimédienne de la coque (ou des coques).
Définition et Principes de Base du Foil
Définition des Foils
Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau ou une planche. Lorsqu'un bateau atteint une certaine vitesse, les foils créent une portance suffisante pour soulever la coque hors de l'eau, réduisant ainsi la surface de contact avec l’eau et la traînée, et augmentant la vitesse. Cette portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, similaire au fonctionnement des ailes d'un avion. Les foils peuvent être adaptés à divers types de bateaux, des voiliers aux bateaux à moteur, en passant par les hydoptères (hydrofoils) et les catamarans.
Les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites comme la fibre de carbone pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée. Des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer significativement les performances d'un bateau. Les profils des foils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques.
Principe de Fonctionnement
Le fonctionnement des foils repose sur les principes de l'hydrodynamique. Lorsque le bateau accélère, l'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil, générant une portance. Cette portance soulève le bateau, réduisant le contact avec l'eau et donc la résistance. Les foils sont particulièrement efficaces sur les hydoptères et les voiliers, permettant à ces bateaux d'atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité optimale. Les systèmes de stabilisation active utilisent des capteurs et des contrôleurs pour modifier en temps réel l'angle des foils, garantissant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions de navigation.
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Pour aller vite, il faut avoir le moins de surface possible du bateau dans l’eau. L’eau, ça freine. C’est ce qu’on appelle la traînée d’un bateau. Avec des plans porteurs (foils) inclinés, cela génère une poussée vers le haut et soulage le flotteur qui va alors sortir de l’eau. En parvenant à sortir complètement la ou les coques de l’eau, on supprime quasiment tous les frottements et donc la traînée. Plus le vent est fort, plus les foils portent et plus le bateau s’allège, gagne en vitesse et se soulève. Les Ultimes, malgré leur poids (aux alentours de 15 tonnes), ont besoin d’un minimum de 14-15 nœuds de vent pour décoller et voler à peu près à toutes les allures. Pour un Imoca, ce sont donc essentiellement des allures dites de travers, comme le reaching (entre 80° et 120°) ou portantes qui facilitent le vol.
Histoire et Évolution du Foil dans le Nautisme
Origines et Développement Historique
C’est en 1861 en Grande-Bretagne que l’on voit apparaître les premières applications du foil dans le nautisme. Thomas Moy installe alors trois foils horizontaux sous un canot, lui permettant de se soulever au-dessus de l’eau. Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs remontent au début du 20ème siècle. 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 premiers hydoptères (également appelés hydrofoils), utilisant des foils, ont démontré leur capacité à augmenter considérablement la vitesse des bateaux.
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 grâce à l'utilisation de foils. Cet hydroptère a établi un record de vitesse sur l'eau qui est resté inégalé pendant de nombreuses années. La popularisation des foils dans le nautisme moderne s'est accélérée dans les années 1980, notamment grâce à des compétitions de voile et des records de vitesse. Les courses et compétitions ont joué un rôle clé dans cette évolution. Par exemple, Hocquinghem a été un site important pour le développement de cette technologie.
Le moth à foil, petit dériveur hyper léger, a changé la donne au début des années 2000. Né en 1929 aux États-Unis, le moth est, en effet, le premier engin à permettre à « monsieur tout le monde » de voler sur l’eau à un prix accessible.
Innovations Majeures
Au fil des années, de nombreuses innovations ont été apportées aux foils. Par exemple, les foils en composites de carbone offrent une résistance et une légèreté optimales, permettant aux bateaux de maximiser leur performance. Les systèmes de stabilisation active, utilisant des capteurs et des contrôleurs, ont également amélioré la performance et la stabilité des bateaux équipés de foils. Des innovations récentes incluent des développements dans les foils électriques et les efoils, des planches de surf électriques équipées de foils, qui gagnent en popularité dans les sports nautiques. Les premiers essais de ces nouveaux accessoires ont montré des résultats prometteurs.
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Les avancées technologiques ont également permis la création de foils plus efficaces et plus durables. Par exemple, le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds. De même, les voiliers de la Coupe de l'America utilisent des foils pour améliorer leur performance en course, établissant de nouveaux standards de vitesse et de maniabilité. Les équipes impliquées dans ces projets ont continuellement repoussé les limites de ce qui est possible. De nombreux hydroptères ont été construits pour exploiter les avantages des foils.
Les Différentes Applications du Foil de la Voile au Surf
Aujourd'hui, l'utilisation du foil s'est diversifiée et a gagné en popularité. On retrouve des foils dans diverses activités sportives comme le kitesurf, le windsurf et le wing foil.
Voiliers de Compétition
En course au large aussi, les foils font leur apparition, notamment en Imoca pour la première fois lors du Vendée Globe 2016-2017 remporté par Armel Le Cléac’h dont le 60 pieds était équipé de petits foils. Les Ultimes, trimarans de 32 mètres de long et 23 mètres de large, sont aujourd’hui presque tous volants grâce à l’avènement des foils et des plans porteurs sur les safrans et la dérive centrale en forme d’aile de raie. Du côté des monotypes, ça foile également : c’est le cas sur les Figaro Bénéteau 3. On en trouve assez peu sur le circuit Mini 650. En revanche, pour des questions de coût, certaines classes comme la Class40 interdisent l’utilisation des foils.
Hydoptères
Ces bateaux, comme l'Hydroptère, utilisent des foils pour se soulever entièrement hors de l'eau, atteignant des vitesses de plus de 50 nœuds. L'utilisation de foils sur ces bateaux nécessite des profils spécifiques pour optimiser la portance et minimiser la cavitation.
Bateaux à Moteur
Les foils améliorent l'efficacité et la vitesse des bateaux à moteur, leur permettant de naviguer plus rapidement et plus efficacement. Les systèmes électriques intégrés dans ces foils permettent de modifier en temps réel les paramètres du foil pour optimiser les performances.
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Catamarans
Les catamarans bénéficient également de l'ajout de foils. Les compétitions de catamarans ont montré l'efficacité des foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité. Ces bateaux sont de plus en plus utilisés dans des courses internationales, démontrant les avantages des foils en termes de performance et de stabilité.
Sports Nautiques
Des disciplines comme le wingfoil et le windsurf intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables. Le wingfoil combine une aile tenue à la main avec des foils fixés sous une planche, permettant des performances exceptionnelles même par vent léger. Le windsurf utilise des foils pour réduire la résistance et augmenter la vitesse. Les premiers à adopter ces technologies ont pu constater une amélioration notable de leurs performances en ligne droite et lors des manœuvres. Des sports dits de loisir comme le Windfoil, le SUPfoil, le Wingfoil cartonnent depuis l’avènement des plans porteurs. Même si les prix restent encore élevés, certains ont mis au point des surfs électriques à foil (6799 euros).
Le kitefoil combine le kitesurfing traditionnel avec une planche équipée d’un foil. Dans cette discipline, les surfeurs utilisent une planche équipée d’un foil pour surfer les vagues.
Comment Fonctionne un Foil ?
Un foil se compose généralement de quatre parties principales : le mât, le fuselage, l’aile avant et l’aile arrière (aussi connue sous le nom de stabilisateur). Fonctionnant sur le même principe qu’une aile d’avion inversée, le foil crée une portance hydrodynamique lorsqu’il est en mouvement. Lorsque le bateau accélère, l'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil, générant une portance. Cette portance soulève le bateau, réduisant le contact avec l'eau et donc la résistance. Les foils sont particulièrement efficaces sur les hydoptères et les voiliers, permettant à ces bateaux d'atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité optimale.
Mécanique des Fluides et Portance Hydrodynamique
En mécanique des fluides, un foil ou un hydrofoil est une aile profilée qui se déplace dans l’eau et transmet une force de portance à son support. La 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.
Types d'Hydrofoils
Il existe plusieurs types d'hydrofoils, notamment :
- Hydrofoils à surface variable, traversant la surface : Foils à échelle, plusieurs plans superposés. Ce système, le plus ancien, n’est plus utilisé à cause de la complexité de construction et la forte traînée due aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs.
- 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. Les supports ou montants ou « jambes » qui relient les foils à la planche ne contribuent généralement pas à la portance. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé, mais n’est pas naturellement stable en tangage et en roulis. D’autre part, la surface portante est constante quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol.
Profils et Caractéristiques des Foils
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 (coefficients de portance, traînée, moment en tangage). Les profils les plus connus (NACA) sont classés géométriquement par familles (distribution d’épaisseur, cambrure, épaisseur). Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :
- La cambrure, fonction du coefficient de portance (Cz) demandé, est le critère le plus important.
- L’épaisseur, qui conditionne la résistance en flexion de l’aile et la déformation sous charge (en fonction de la portée).
- La vitesse, distribution de l’épaisseur et des pressions dynamiques pour éviter la cavitation.
Coefficients de Portance et de Traînée
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.
Angle d'Incidence
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). L’angle d’incidence d’un gouvernail, qui est une surface verticale à profil symétrique, est 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). La portance augmente avec l’incidence (pente de portance).
Avantages et Inconvénients des Foils
Avantages
L’un des principaux atouts du foil est sa capacité à réduire la résistance dans l’eau, permettant d’atteindre des vitesses plus élevées. Selon les architectes, un foil, c’est 15 % de performance en plus. Le principal avantage est le gain de performances de l’ordre de 15 % selon le bateau et les allures. Pour les amateurs de foil, cela se traduit par un départ à l’eau où vous commencez à léviter à mesure que vous prenez de la vitesse et où le foil exerce sa magie de portance. L’avantage du foil, c’est que vous pouvez naviguer dans des conditions de vent léger. Le kite est plus rapide, car le foil coupe l’eau avec un minimum de traînée. Les fans de foil aiment l’expérience tranquille de naviguer au-dessus de la surface de l’eau. Une fois cet apprentissage acquis, les riders s’accordent à dire que c’est une nouvelle liberté.
De plus, les foils permettent une navigation plus fluide et plus stable, même dans des conditions de mer agitée. Les recherches continuent pour améliorer les performances et l’accessibilité du foil.
Défis et Limites
Cependant, le foil présente aussi quelques inconvénients. Il demande par exemple une certaine technicité et peut donc être difficile à maîtriser pour les débutants. Le foil en lui-même n’est pas une invention nouvelle : cette technologie permet de soulever des bateaux depuis le début des années 1900. Bien que cela semble fou et futuriste, c’est la même technologie qui donne de la portance aux avions.
Les désavantages incluent les risques augmentés de collision avec des objectifs flottants non identifiés. Les foils, qui dépassent de 3 mètres de part et d’autre du bateau, ratissent tout ce que l’on trouve dans les océans comme les billes de bois, containers et autres mammifères marins. Et forcément, les foils deviennent vulnérables quand ils touchent quelque chose. Autre désavantage, la complexité des systèmes et leur coût.
- Coût : Les matériaux et la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs. Sur un Imoca qui vaut 7 millions d’euros, une paire de foils installée avec les puits et les renforts nécessaires, cela représente près de 800.000 euros. En 2021, une paire de foils coûte de 200.000 à à 500.000 euros.
- Complexité technique : La conception et l'installation des foils nécessitent une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l'hydrodynamique. Par exemple, l'ajustement de la portance des foils en fonction des conditions de navigation peut nécessiter des systèmes de stabilisation active.
- Phénomènes hydrodynamiques : La ventilation et la cavitation peuvent affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale. Les essais et les tests sont essentiels pour développer des solutions efficaces.
Comment Choisir son Foil
Divers facteurs entrent en jeu lors du choix d’un foil. Pour acheter un foil, faites confiance aux marques reconnues pour leur expertise et leur qualité. Depuis, la révolution du foil a envahi tous les spots, permettant de naviguer dans de nouvelles conditions. Le foil est donc toute la partie placée sous la planche qui est fixée par 4 vis à la board directement au mât.
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. 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 ! Optez dans ce genre de contexte pour un mât allant de 70 à 90 cm. Les mâts sont faits soit en aluminium soit en carbone, le carbone reste le matériau le plus léger et le plus maniable. Il est important d’avoir conscience de la dangerosité de cette partie d’un foil. Le stabilisateur, ou encore aile arrière, est la partie du foil qui vient stabiliser l’axe de tangage d’avant en arrière. Une fois cet apprentissage acquis, les riders s’accordent à dire que c’est une nouvelle liberté.
Les Sports de Foil en Détail
Surf Foil
Le surf foil est sans doute la discipline qui a popularisé l'usage du foil. Il permet de surfer de petites vagues, voire des houles, qui seraient insuffisantes pour un surf classique. Les riders comme Laird Hamilton ont joué un rôle clé dans la démocratisation du surf foil.
Wing Foil
Le wing foil, ou wingfoil, est une variante du foil qui utilise une aile tenue à la main, appelée wing. Cette pratique est en plein essor, avec des marques comme F-One et Duotone qui proposent des produits spécifiques comme la "One Rocket Wing" et la "Rocket Wing", offrant aux riders une expérience de glisse unique. Associer le foil et l’aile permet de maximiser cette sensation de vol. C’est pourquoi le wing foil est rapidement devenu populaire. Cependant, c’est toujours un sport en amélioration.
SUP Foil
Le SUP foil, ou stand-up paddle foil, est une autre variante de la pratique du foil. Des marques comme Gong et Fanatic ont développé des planches spéciales pour le SUP foil, souvent gonflables (inflatable) pour plus de praticité.
Kite Foil
Le kite foiling existe depuis le début de la courte histoire du kitesurf, mais il fait l’objet d’une plus grande attention ces derniers temps en raison de son utilisation par les kitesurfeurs professionnels. Le foil vous permet de faire du kitesurf au-dessus de la surface de l’eau. Soyez patient et engagez-vous à l’apprendre comme vous le feriez pour toute autre nouveauté. Bien que vous puissiez monter un foil avec des sangles, beaucoup vous recommandent de le faire sans sangles pour éviter de vous blesser si le foil plonge ou se comporte de manière imprévisible. Vous devrez mettre plus de poids dans votre pied avant que vous n’en avez l’habitude. En plus de pousser avec, vous devez appuyer votre poids vers l’avant. Il est de loin préférable de plonger avec un foil que de le faire sauter derrière vous. Vous devez également exercer une pression sur vos orteils pour maintenir la planche à plat. Essayez de ne pas trop vous écarter avec vos talons. Cependant, lorsque vous apprenez, il est préférable de commencer avec beaucoup de vent pour garder votre aile stable dans les airs, mais ne vous surmenez pas.
Si vous êtes déjà un rider intermédiaire ou avancé, ne vous attendez pas à prendre votre planche et à partir, juste comme ça. Le départ peut être assez difficile car il s’agit de bien équilibrer les poids et de se familiariser avec les mouvements de la planche, de les anticiper et de reconnaître leur comportement afin que l’aile ne sorte pas de l’eau. C’est en fait, surtout au début, le principal problème. L’aileron a tendance à vouloir sortir de l’eau et votre concentration se portera sur le maintien de la planche à la bonne hauteur, en maintenant une vitesse qui la fera sortir de l’eau, mais en l’empêchant de sortir parce qu’à ce moment-là, la chute est assurée.
Tendances Actuelles et Futur du Foil
Évolution Technologique
Le monde du foil est en constante évolution, avec des innovations régulières qui améliorent les performances des planches et des foils. Les matériaux comme le carbone sont de plus en plus utilisés pour créer des produits légers et résistants. Des marques comme Neil Pryde et Goya sont à la pointe de cette évolution, proposant une gamme de produits adaptée à tous les niveaux, des débutants aux professionnels.
Communauté Croissante
La pratique du foil attire une communauté grandissante de passionnés. De plus en plus de compétitions voient le jour, avec des riders qui repoussent les limites de ce que l'on pensait possible. Les prix habituels des équipements restent élevés, mais avec l'essor du marché, des offres de solde de prix deviennent plus courantes, rendant ces sports plus accessibles.
Accessibilité et Démocratisation
Si la planche de foil était initialement réservée à une élite en raison de son coût et de sa technicité, elle tend à se démocratiser. De plus en plus de clubs et d'écoles proposent des packs wing foil et des initiations, rendant cette pratique accessible au grand public. Les prix des équipements commencent également à baisser grâce à des services de vente et des périodes de solde, rendant le foil plus abordable.
Conseils pour Débuter
Avant de vouloir maîtriser une planche avec un foil, il faut avoir de bonnes bases sans le foil. Savoir manier la planche, la direction, se maintenir debout : il faut savoir le faire à même l’eau avant de prendre de la hauteur. D’autant plus que la sensation peut être impressionnante et les risques plus importants qu’habituellement. Les chutes se font de plus haut et se prendre le foil sur une partie du corps peut avoir de graves conséquences.
Il est nécessaire d’avoir un bon niveau de kitesurf et/ou de windsurf pour apprendre à utiliser un foil. Vous pourrez apprendre dans le cadre d’un stage encadré ou profiter d’une location.