Dans les sports nautiques, c’est toujours plus vite et toujours plus loin. Une innovation récemment remise au goût du jour a permis de faire des progrès considérables sur la vitesse des voiliers. La preuve par l’exemple avec l’ARKEA ULTIM CHALLENGE, l’une des plus récentes courses autour du monde en date ayant vu s’affronter la dernière génération de trimarans Ultim. Ces voiliers gigantesques sont équipés de foil qui leur permettent à pleine vitesse de faire émerger au-dessus de l’eau l’intégralité de leur coque.
Définition et fonctionnement du foil
Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Le principe est assez semblable à celui d’une aile d’avion. Imaginer que l’on place sous la coque du bateau au bout d’un mat une aile asymétrique à l’image d’une aile d’avion : courbe au-dessus et plate en dessous. Cette asymétrie crée la portance permettant au bateau de s’envoler. Lorsque le bateau atteint une certaine vitesse, les foils grâce à leur profil semblable à une aile d’avion 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. La traînée est une force qui s’oppose au déplacement du bateau sur l’eau, plus elle est faible, plus le bateau pourra aller vite. Cette portance est exponentielle avec la vitesse : plus on va vite, plus ça pousse et plus on vole !
Le fonctionnement des foils repose sur les principes de l'hydrodynamique. 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. 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 du foil fait que l'eau se déplace plus rapidement sur le dessus que sur le dessous. 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.
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 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.
Histoire et développement des foils
Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs remontent au début du 20ème siècle. C’est en 1861 que le concept du foil a vu le jour sous l’impulsion de l’ingénieur civil britannique Thomas William Moy, plaçant trois foils horizontaux en bois sous la coque d’un canot. 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. En 1897, De Lambert récidive en créant le premier hydroptère autopropulsé à vapeur avec le britannique Horatio Philips. 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 noeuds.
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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. À la fin des années 70, le célèbre navigateur Éric 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.
Bien que le principe technique soit connu depuis les années 1930, les technologies liées au foil sont redevenues innovantes et performantes grâce aux progrès réalisés en science des matériaux et mécanique des fluides. Entre 2016 et 2024, pas moins de 26 profils de foils ont été testé sur le Maxi Edmond de Rothschild, bateau vainqueur de l’ARKEA ULTIM CHALLENGE en 50 jours et 19h.
Types et applications : du trimaran au vélo à foil
Les applications du foil ne se limitent pas au trimaran. Elles sont utilisées aussi sur des voiliers monocoques, des catamarans, des hydoptères et des vaisseaux moto propulsés. Aujourd’hui, les trimarans Ultim les plus récents décollent de l’eau à partir d’une vitesse de 22 nœuds soit 40 km/h contre 28 nœuds pour la génération précédente. Ces vaisseaux accélèrent ensuite jusqu’à des vitesses de pointe autour de 40 nœuds et peuvent atteindre les 45 nœuds soit 83 km/h. Les deux foils permettant ces prouesses mesurent environ 6 mètres de long pour un poids autour de 400 kg chacun.
Des adaptations du foil ont été créées pour des sports comme la planche à voile (windfoil), le ski nautique, le kitesurf (kitefoil), le wingfoil et le surf foil. Le Surf-Foil est apparu dans les années 2000. Parmi les précurseurs, on compte de grands noms comme Laird Hamilton, Dave Kalama ou encore Paolo Rista. En 2016, c’est Kai Lenny qui fait exploser le nombre de pratiquants. Une dernière innovation datant de 2023 est un vélo à foil se déplaçant sur l’eau. Il existe aussi une technologie semblable pour des bateaux de tourisme aujourd’hui avec des exemples en Sicile ou en Grèce.
L'eFoiling combine les principes de base du foiling traditionnel, dans lequel une planche de surf est équipée d'une aile hydrodynamique sous l'eau, avec la technologie électrique moderne. L'eFoil se compose d'une planche, d'une propulsion électrique et du foil. L'accélération se fait avec une télécommande radio dans la main. Le plus grand attrait de l'eFoiling réside dans la liberté et le caractère unique de l'expérience : les conducteurs peuvent glisser sur l'eau sans dépendre des vagues, du vent ou d'un bateau. La plus grande innovation technique de ces dernières années a été l'introduction de la propulsion par jet par la société Aerofoils. L'eFoiling est considéré comme un sport nautique respectueux de l'environnement, car il ne produit pas d'émissions et fonctionne presque sans bruit.
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