L'art de manœuvrer un bateau ne repose pas uniquement sur la passion et la pratique. Il est essentiel de comprendre les nombreuses forces en jeu pour obtenir les directions et accélérations souhaitées en toute sécurité. Parmi ces forces, les forces hydrodynamiques jouent un rôle crucial, en particulier en interaction avec les forces aérodynamiques.
Introduction aux Forces Aérodynamiques et Hydrodynamiques
Les modules d'"Aérodynamique" et d'"Hydrodynamique" partagent des concepts similaires en ce qui concerne les forces qui influencent le mouvement d'un bateau. Un bateau est en contact constant avec l’air et l’eau. Les facteurs prépondérants sont les forces hydrodynamiques et aérodynamiques qui s’exercent sur la coque, les voiles et les appendices (dérive, quille, gouvernail).
Définition des forces
- Forces aérodynamiques : Forces exercées par le vent sur la voile.
- Forces hydrodynamiques : Forces exercées par l'eau sur la coque et les appendices du bateau.
Déséquilibre entre les Forces Aérodynamiques et Hydrodynamiques
Le positionnement correct des voiles par rapport à la dérive, en fonction du vent, est essentiel pour que le bateau loffe (se rapproche du vent) ou abatte (s'éloigne du vent). Le déséquilibre entre la force aérodynamique et hydrodynamique permet de déterminer si les planches abattent ou lofent selon la position des voiles.
Décomposition des Forces Aérodynamiques et Hydrodynamiques
Composantes des forces
Pour comprendre le fonctionnement d’un voilier, il est utile de décomposer la force vélique par rapport à l’axe du voilier.
- Le fluide vent : Le vent exerçant une force sur la voile.
- Le fluide eau : L'eau exerçant une force sur la coque et la dérive.
- L’axe du vent : Direction du vent.
- L’axe de la corde de la voile : Ligne imaginaire reliant le bord d'attaque au bord de fuite de la voile.
- L’axe du bateau : Direction longitudinale du bateau.
- L’axe de la route suivie : Trajectoire du bateau.
- L’angle d’incidence Alpha (α) : Angle entre la corde de la voile et l'axe du vent.
- Composante de dérive (Cd) : Force latérale tendant à faire dériver le bateau.
- Portance (P) : Force perpendiculaire à l'écoulement du fluide.
- Force anti-dérive (Fad) ou force hydrodynamique (FH) : Force opposée à la dérive, générée par l'écoulement de l'eau sur la dérive.
- Traînée (T) : Force parallèle à l'écoulement du fluide, s'opposant au mouvement.
Schémas des forces
Il est essentiel de visualiser ces forces à travers des schémas pour mieux comprendre leur interaction.
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- Au vent arrière : La force aérodynamique est décomposée en composante de dérive et composante propulsive, puis en traînée et en portance. La force hydrodynamique est également décomposée en traînée et en portance.
- En marche arrière : La composante de dérive, la composante propulsive, la traînée et la portance sont représentées pour les forces aérodynamiques et hydrodynamiques.
Système des Forces sur la Voile et le Bateau (Aéro et Hydrodynamiques)
Les forces aérodynamiques et hydrodynamiques sont cruciales pour comprendre comment un voilier se déplace et réagit aux éléments.
Forces aérodynamiques
La force vélique, résultant de l'action du vent sur la voile, se décompose en :
- Force propulsive : Dans le sens de la marche du voilier.
- Force de dérive : Perpendiculaire à l’axe du voilier.
Forces hydrodynamiques
Les forces hydrodynamiques incluent :
- Force anti-dérive : Générée par l’écoulement de l’eau sur la dérive, elle s’exerce perpendiculairement à l’axe du bateau.
- Force de résistance à l’avancement : Résultante de l’ensemble des résistances hydrodynamiques, elle s’exerce dans l’axe du voilier.
La force hydrodynamique est la résultante de ces deux forces.
Interaction des forces
- Accélération : Lorsque la force vélique est supérieure à la force hydrodynamique.
- Ralentissement : Lorsque la force vélique est inférieure à la force hydrodynamique.
- Vitesse constante : Lorsque la force vélique est égale à la force hydrodynamique.
Force Vélique et Force Hydrodynamique aux Différentes Allures
Au près
Au près, l’angle voile-bateau est très fermé, ce qui génère :
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- Force de dérive importante : Et en réaction une force anti-dérive très importante.
- Force propulsive peu importante.
Conséquences pratiques :
- Dérive basse pour exercer la plus grande force anti-dérive.
- Angle voile-bateau très faible.
Au vent de travers
L’ouverture de l’angle voile-bateau permet :
- Une augmentation de la force propulsive.
- Une diminution de la force de dérive.
Conséquences pratiques :
- Pour une force vélique de même intensité, le bateau va plus vite au vent de travers qu’au près.
Aux allures portantes
Dès que l’ouverture de l’angle voile-bateau atteint 90° :
- La force vélique est exactement orientée dans l’axe du bateau : Elle se confond donc avec la force propulsive.
- La force hydrodynamique est seulement constituée des forces de résistances à l’avancement.
Conséquences pratiques :
- La dérive ne joue aucun rôle anti-dérive mais un rôle de stabilisation.
Facteurs Déterminant l’Intensité de la Force Vélique
- La vitesse du vent : La force aérodynamique est proportionnelle au carré de la vitesse du vent.
- L'angle d'incidence entre la voile et le vent : L’angle optimal est voisin de 20-22°.
- Le profil de la voile : Une voile creuse génère une force vélique plus importante qu’une voile plate.
- La surface et l'allongement de la voile : Plus la surface et l'allongement sont importants, plus la force vélique est grande.
Principes Techniques Généraux de la Navigation au Près
La navigation au près implique de "remonter au vent" le plus vite possible. Pour cela, il faut :
- Adopter un angle voile-bateau fermé : Cela détermine les possibilités de « remonter au vent ».
- Maintenir un angle d’incidence voile-vent optimal grâce à la barre : Adapter en permanence sa trajectoire en fonction des fluctuations du vent.
- Gérer un « Compromis cap/vitesse » : Obtenir le gain au vent maximal dans des conditions données.
Forces Hydrodynamiques et Planche à Voile
Terminologie de la planche à voile
Une planche à voile avance sous l’influence de deux types de forces :
- Aérodynamique
- Hydrodynamique
La force aérodynamique générée par la voile
Lorsqu’une voile est exposée au vent, il se crée une surpression à l’intérieur (intrados) et une dépression à l’extérieur (extrados). Ces différences de pression créent des forces qui s’exercent sur les deux faces de la voile. La force résultante est presque toujours perpendiculaire à la corde de la voile. Elle dépend de :
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- La surface de la voile
- La vitesse du vent (proportionnelle au carré)
- La forme de la voile
- L’orientation de la voile par rapport au vent
Orientation de la voile
L'orientation de la voile joue un rôle crucial :
- Angle d’incidence trop faible : La voile faseye et peu de force est créée.
- Angle d’incidence trop important : L’écoulement de l’air devient turbulent et ralentit, diminuant la force créée.
La force hydrodynamique générée par le flotteur
Cette force est la résultante de deux forces :
- La force de traînée : Dépend de la résistance à l’avancement du flotteur, de la dérive et de l’aileron.
- La force anti-dérive : Dépend de la surface et de la forme de la dérive et de l’aileron.
Interaction des forces et vitesse
- Accélération : Force aérodynamique > Force hydrodynamique
- Ralentissement : Force aérodynamique < Force hydrodynamique
- Vitesse constante : Force aérodynamique = Force hydrodynamique
Les différents vents
- Vent réel : Indépendant de l’engin.
- Vent vitesse : Généré par la vitesse de la planche.
- Vent apparent : Résultante des deux précédents.
Explication Approfondie des Forces en Jeu
Centre de gravité et centre de carène
- Centre de Gravité : Point où s’exerce la force due à la pression de l’eau lorsqu’on plonge un objet dans l’eau.
- Centre de Carène : Point au centre de la partie immergée d’un navire où s’exerce la force.
Autres forces
- Force de dérive : Perpendiculaire à l’axe du voilier.
- Force propulsive : Parallèle à la route du voilier.
- Force anti-dérive : Empêche le bateau de dériver.
- Force de traînée hydrodynamique : Résistance à l'avancement.
- Couple de chavirage : Concerne l’équilibre latéral, la gîte.
- Couple de redressement : Concerne également l’équilibre latéral, la contre gîte.
Relation entre les forces
- La force propulsive (dans l’air) est proportionnelle à la force du vent.
- Plus la vitesse augmente, plus la traînée (dans l’eau) augmente.
- La force de dérive (dans l’air) pousse le bateau dans la direction du vent.
- La force anti-dérive (dans l’eau) résiste autant qu’elle le peut.
Gestion des forces
En cas de gîte excessive, il est possible de :
- Déplacer le centre de gravité en déplaçant le poids des équipiers.
- Réduire les voiles en prenant un ris.
La Couche Limite et l'Effet Bernoulli
La couche limite
Dans un écoulement turbulent, les particules sont désorganisées et n’ont plus une direction linéaire. Sur la carène d’un bateau, les particules situées dans la couche limite ralentissent et freinent aussi les particules juste à coté d’elle.
L'effet Bernoulli
L’effet est une manifestation du principe de conservation de l’énergie : dans le cas d’un écoulement fluide horizontal, lorsque la vitesse d’écoulement augmente, la pression diminue.
Application à la voile
En arrivant sur l’aile, le fluide passant au-dessus se retrouve dans la situation d’un courant arrivant dans un tuyau rétréci. A cette augmentation de vitesse se joint une diminution de la pression ( effet Bernouilli ). La différence de pression entre le dessus de l’aile (extrados, avec une basse pression) et le dessous de l’aile ( intrados avec une légère surpression ), crée une force ascendante (dirigée vers le haut) appelée portance.
Sur le profil d’une voile, on peut régler cette courbe en jouant sur la bordure et la drisse. On peut creuser ou applatir le profil de la voile en fonction si l’on veut donner ou réduire la puissance. Il y a une limite : trop creux et les filets d’air vont décrocher.
La force vélique
Cette force a son origine au Centre Vélique de la voile et est placée perpendiculairement à la corde de la voile vers l’extérieur sur l’extrados de la voile. Elle n’est pas super bien orientée.
Densité de l'eau et de l'air
La densité de l’eau est plus importante que celle de l’air. C’est pour cela qu’un dériveur possède une dérive proportionnellement plus petite que la voile, car les forces qui s’y appliquent sous l’eau sont plus importantes que dans l’air.
En vent arrière, cette dérive n’est plus utile, car la force de dérive et le sens d’avancement sont orientés dans le même sens. Sur les dériveurs, sur les bords de vent arrière les régatiers remontent la dérive pour éliminer les résistances à l’avancement. Le bateau est moins stable mais plus rapide.
Résistance de Carène (Fr)
La surface mouillée du bateau s’appelle la carène. Ça représente un solide qui avance dans un fluide, donc cette carène procure une résistance à l’avancement appelée Force de résistance de carène (Fr).
Flottaison et Stabilité : Principes Fondamentaux
Poussée d’Archimède
La poussée d’Archimède est une force verticale, dirigée de bas en haut et égale au poids du volume de fluide déplacé. C’est la force subie par un voilier qui vient équilibrer son poids.
Quelque soit le matériau employé bois, aluminium, plastique voir même granit, l’homme a toujours su les maîtriser pour construire des bateaux. Ils flottent tous car la poussée d’Archimède s’applique sur toute la partie immergée de la coque : dérive, gouvernail et coque.
- Parch < P : Le bateau coule.
- Parch = P : Le bateau flotte.
Insubmersibilité
L’insubmersibilité d’un bateau s’obtient par différents procédés de fabrication tels que :
- Des caissons étanches
- Le cloisonnement de la coque
- Des volumes de matière plastique expansée ou polystyrène
- Des réserves de flottabilité
L’insubmersibilité d’un bateau est un gage de sécurité non négligeable pour tous les navigateurs et notamment pour ceux naviguant en haute mer.
Hydrodynamisme : Étude de l'Influence de l'Eau
Définition
L’hydrodynamisme est l’étude de l’influence d’un fluide (l’eau) sur un plan.
En hydrodynamisme, c’est le plan qui se déplace dans le fluide.
Rôle de la dérive
La dérive joue un rôle important dans la bonne marche du bateau. En effet, sans la dérive, le bateau avance sur le côté à cause de la force aérodynamique. Pour contrer ce déplacement sur le côté, on utilise la dérive et sa force hydrodynamique.
Le plan de dérive ne solutionne pas complètement la dérive du bateau. Le bateau dérive toujours car la force aérodynamique est plus importante que la force hydrodynamique.
Formation de la Force Hydrodynamique
Le processus de création de la force hydrodynamique est identique au processus de création de la force aérodynamique même si en hydrodynamique, le plan n’est pas convexe mais bi-convexe.
La force hydrodynamique est représentée par un vecteur. Son symbole est FH. Le point d’application de la force hydrodynamique est le centre de dérive Cd. La force hydrodynamique s’applique sur l’ensemble des éléments immergés de l’engin :
- La coque
- La dérive
- Le gouvernail
- L'hélice
Force Hydrodynamique sur le Plan Horizontal
La force hydrodynamique sur le plan horizontal correspond à la force anti-dérive. Elle se décompose de la façon suivante :
- La traînée T est parallèle et dans le même sens que le fluide.
- La portance P est perpendiculaire à la traînée.
- La force anti-dérive Fad est la résultante des deux forces traînée T et portance P.
Force Hydrodynamique sur le Plan Vertical
Quand le bateau commence à avancer, il se crée une pression dynamique ou une force de portance qui soulève le bateau, diminuant le volume immergé. La somme des deux forces (Archimède et portance) est toujours égale au poids du bateau.
La force de portance se décompose ainsi :
- La traînée T est parallèle au fluide et dans le même sens.
- La portance Po est perpendiculaire à la traînée.
- La force de portance Fp qui est la résultante des deux forces traînée et portance.
Résistance Hydrodynamique (Rh)
L'étude de la résistance hydrodynamique (Rh) ne possède pas actuellement de théorie globale qui permettrait d'appliquer une équation répondant aux différents cas avec exactitude.
Si l'objet évolue complètement immergé son coefficient hydrodynamique sera étudie en cumulant sa résistance de frottement à sa résistance de forme. Le cumul de ces deux résistances est nommé la résistance visqueuse ou traînée.
Si cet objet est profilé pour "voler" dans l'eau on pourra se rapprocher d'une étude de trainée et portance aérodynamique classique.
Malgré les avancées dans le domaine de la modélisation informatique, les essais de modèles sont encore incontournables. Les effets de frottements mesurés expérimentalement en bassins de carènes sont eux-mêmes soumis à des problèmes de changement d'échelle résolus grâce aux lois de similitudes.
Une autre technique d'évaluation des comportements hydrodynamique consiste à comparer des données mesurées sur des séries de formes types et extrapoler les conséquences des changement de formes.