Kayak à Foil : Vitesse, Fonctionnement et Caractéristiques de la Révolution Hydrodynamique

Le concept de l'hydrofoil appliqué aux sports de glisse et aux embarcations légères

Le foil, cette innovation qui a révolutionné les sports de glisse, suscite un intérêt grandissant auprès des passionnés de la glisse. Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau ou d'une planche de glisse. Lorsqu'une embarcation 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 technologie s'applique aujourd'hui à une multitude de supports. Les sports nautiques comme le kitefoil, windfoil, wingfoil, supfoil ou encore le dock foil sont des sports de plus en plus populaires pour les sensations qu’ils procurent. L'adaptation de ce système au kayak, dénommé kayak à foil, s'inscrit dans cette dynamique de recherche de performance et de vitesse. En soulevant le support, le foil réduit le contact avec l'eau, ce qui diminue la traînée hydrodynamique. Cela vous permet d'atteindre des vitesses élevées avec moins d'effort physique.

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. Les profils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques, que ce soit pour des planches de surf électriques équipées de la technologie foil, appelées eFoils, ou pour des kayaks légers à propulsion humaine ou assistée.

Origines historiques de la technologie du foil

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. 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.

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. 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.

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. Le Surf-Foil est quant à lui apparu dans les années 2000. Parmi les précurseurs de cette application moderne, on compte de grands noms comme Laird Hamilton, Dave Kalama ou encore Paolo Rista. À l’origine, ce n’tétait qu’une manière de voler au-dessus de l’eau en surf-tracté, dans de grandes ondes de houle. En 2016, c’est Kai Lenny qui fait exploser le nombre de pratiquants de surf foil, ouvrant la voie à la démocratisation de ces technologies sur des embarcations légères et autonomes comme le kayak.

Anatomie et composants structurels d'un foil

Pour comprendre le fonctionnement d'un kayak à foil, il convient d'analyser les différentes pièces qui composent cet appendice hydrodynamique. Un foil complet se structure autour de quatre éléments majeurs :

Le mât : Le mat d’un foil est une pièce en aluminium ou carbone qui fait la jonction entre la planche (ou la coque du kayak) et le set d’aile avant et arrière (le stabilisateur). La longueur du mât détermine la hauteur de vol au-dessus de l'eau.
Le fuselage : Le fuselage d'un foil est la partie centrale qui relie les ailes au mât. C'est un élément crucial de la structure du foil, car il assure la stabilité et la rigidité de l'ensemble. Le fuselage permet également de positionner correctement l'aile par rapport au mât, ce qui influence les performances du foil en matière de portance et de maniabilité.
L'aile avant : L'aile avant est la composante du foil qui génère la portance lorsque le foil est en mouvement dans l'eau. Elle est située à l'avant du fuselage et est conçue pour interagir avec l'eau afin de créer une force ascendante qui soulève le rider et le matériel au-dessus de la surface de l'eau. L’ailette avant a une partie supérieure bombée (extrados) et une partie inférieure plus plate (intrados). L’aile avant a un bord d’attaque arrondi qui prend rapidement de l’épaisseur, puis s’affine vers un bord de fuite plus fin.
L'aile arrière ou stabilisateur : Une aile arrière, également appelée stabilisateur, est une partie essentielle du foil. Elle se situe à l'arrière et joue un rôle crucial dans la stabilité et le contrôle de la planche ou du kayak lorsqu'elle est en mouvement sur l'eau. 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 possède une forme assez similaire à celle de l’aile avant, avec des propriétés équivalentes.

Principes physiques du fonctionnement hydrodynamique

Le principe de fonctionnement d’un foil de surf ou de kayak relève de la dynamique des fluides. L’aile avant transmet une force de portance à la planche ou au kayak. 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. 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.

Un foil fonctionne sur le principe de la portance, similaire à celui d'une aile d'avion :

Forme du foil : Un foil est généralement conçu avec une forme profilée, souvent en forme d'aile, qui permet de créer une différence de pression entre le dessus et le dessous de la surface du foil lorsqu'il se déplace dans l'eau.
Mouvement dans l'eau : Lorsque le foil est immergé et qu'une embarcation 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 (extrados) que sur le dessous (intrados).
Création de portance : L’aile avant est tirée vers le haut lorsqu’elle avance, car les molécules d’eau qui passent sur l’extrados de l’aile avant accélèrent pour rattraper les molécules d’eau passées sur l’intrados (qui est plus courte car plate). L’accélération des molécules sur la partie supérieure de l’aile crée une dépression et le ralentissement de celles sur la partie inférieure crée de la surpression. Cette différence de pression génère une force de portance qui soulève l’ensemble au-dessus de la surface de l'eau.
Réduction de la traînée : En soulevant le support, le foil réduit le contact avec l'eau, ce qui diminue la traînée hydrodynamique.

Pour décoller, la vitesse doit être suffisamment importante pour créer une force de portance sur l’aile avant. Cumulé à un angle d’incidence élevée (grâce à une pression sur le pied arrière en surf foil, ou par un transfert de masse vers l'arrière en kayak), l’ensemble décolle. Si l’avion utilise la force d’aspiration des molécules d’air, le foil sollicite l’aspiration des molécules d’eau qui ont une densité bien plus élevée que celle de l’air.

Pour changer les angles d’incidence du foil, l'utilisateur peut, par pression alternée, modifier l'assiette pour faire monter ou descendre le foil ou le stabiliser. La diminution de la vitesse de déplacement permet de diminuer la portance et donc de faire amerrir l'embarcation.

Paramètres de design et comportement sur l'eau

Lorsque l’on touche à la dynamique des fluides, le moindre détail ou changement apporté au foil a son importance et influe sur ses caractéristiques. Les paramètres de design d'un foil comprennent la surface de l'aile, le profil, l'aspect ratio (allongement), la longueur du fuselage et la longueur du mât. Ces caractéristiques influencent la portance, la stabilité, la maniabilité et la vitesse du foil.

Plus la surface des ailes d’un foil est importante, plus elle procure de la portance, donc un foil plus facile d'accès et plus maniable. Moins de surface des ailes induit moins de portance donc un foil plus performant en vitesse mais plus technique, destiné à des riders expérimentés. La portance varie principalement selon la taille de l'aile avant, son épaisseur, sa forme de profil et l'angle d'incidence. Plus la surface d'une aile est grande avec de l'épaisseur, plus elle génère de portance. Plus l'angle d'incidence est positivement élevé, plus il génère de portance mais freine le foil. En revanche, plus ces paramètres sont faibles, plus la portance est réduite. A surfaces, angles et épaisseurs égaux, deux profils différents entraîneront des portances et vitesses différentes.

L'aspect ratio d'un foil est la relation entre la longueur de l'aile et sa largeur. Il est calculé en divisant la longueur (envergure) de l'aile par sa largeur (corde). 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.

Aspect ratio élevé (grand allongement) : Associé à une meilleure performance en termes de portance et d'efficacité car il réduit la traînée. Une aile avec moins de corde et donc plus d’envergure sera plus rapide. Cela permet au foil de glisser plus facilement à travers l'eau, ce qui est particulièrement avantageux pour les vitesses élevées. Ces foils ont de meilleures caractéristiques de planning et restent en vol à des vitesses inférieures à celles des foils à faible allongement. Ils sont particulièrement adaptés pour maximiser l'efficacité et les performances, notamment dans les vents légers, les petites vagues et pour le pumping. Ils restent destinés aux pratiquants d’un niveau intermédiaire ou expert. Moins maniables, ils ne permettent pas de serrer les courbes.
Aspect ratio bas (faible allongement) : Ces foils ont une envergure plus courte et sont plus ronds. Cela leur permet d'être plus maniables et d'offrir une portance à des vitesses plus faibles. Ils restent idéaux pour débuter.
Aspect ratio moyen (allongement moyen) : Offre un bon équilibre entre portance, vitesse et manœuvrabilité, se montrant polyvalent dans différentes conditions.

La structure du fuselage joue également un rôle fondamental : plus le fuselage est long, plus le foil est stable directionnellement à vitesse élevée et en inclinaison. Plus le fuselage est court, plus le foil est maniable, agile et offre du pop lors des sauts. En adaptant la longueur du fuselage et la taille du stabilisateur, on peut rendre un foil beaucoup plus maniable et ainsi obtenir un compromis optimal entre le glide, la facilité de pumping et la maniabilité.

Performances comparatives et vitesses dans le domaine des foils électriques (eFoils)

Pour situer les capacités de vitesse des kayaks et planches à foil, il est utile d'analyser les performances des eFoils (planches de surf électriques équipées d'un foil). Les eFoils glissent presque sans bruit sur l'eau, offrent une expérience unique et constituent une alternative durable aux jet-skis ou aux bateaux à moteur.

Un eFoil roule généralement à une vitesse comprise entre 20 et 30 km/h. Cette vitesse est idéale pour la plupart des riders, car elle est à la fois sportive et contrôlable. Les modèles haut de gamme peuvent même atteindre des vitesses supérieures à 50 km/h. Cela fait des eFoils l'un des engins de sports nautiques à propulsion électrique les plus rapides autorisés à un usage privé. Si vous souhaitez atteindre des vitesses élevées, vous devez non seulement disposer de l'aile adaptée, mais également d'une grande expérience et d'un très bon sens de l'équilibre.

Un eFoil se déplace à une vitesse moyenne de 25 à 35 km/h, offrant à la fois vitesse, sécurité et efficacité. Comparé au wakeboard, au surf, à la planche à voile et au kitesurf, l'eFoil est aussi rapide que de nombreux sports nautiques classiques, plus indépendant et particulièrement polyvalent. L'autonomie de la batterie d'un eFoil est comprise entre 60 et 120 minutes, selon le style de glisse et la vitesse. Le mode Eco offre une plus grande autonomie. À une vitesse de 20 à 25 km/h, une autonomie de 2 heures est tout à fait réaliste. Les marques d'eFoil comme Aerofoils, Fliteboard et Lift Foils se sont imposées jusqu'à présent dans les compétitions. Toutefois, la vitesse pure n'est pas toujours ce qui compte : c'est similaire au snowboard, où l'on ne dévale pas la montagne à toute vitesse, mais où l'on recherche avant tout la fluidité des courbes et la sensation de glisse pure.

Caractéristiques spécifiques selon les disciplines de glisse

Le choix du foil doit être rigoureusement adapté au gabarit du pratiquant, à son niveau technique et à ses objectifs sportifs. En règle générale, les foils avec une aile avant plus grande procurent plus de portance et de stabilité, facilitant l'apprentissage. À mesure que le pratiquant progresse, il s'orientera vers des ailes plus petites permettant des vitesses plus élevées et des manœuvres plus agiles.

Kitefoil

Les débutants d'un gabarit de 70 à 80 kg en kitefoil doivent déjà maîtriser la pratique classique du kitesurf. Ils s'orienteront vers un set d’ailes d’une surface d’environ 1400 cm² pour obtenir plus de portance, combiné à un fuselage de 65 à 75 cm et un mât d’une longueur de 80 à 85 cm. Les riders experts feront le choix d’un set d’aile et d’un fuselage plus petits, ainsi que d’un mât plus long, situé entre 95 et 120 cm, pour optimiser les performances et la vitesse de pointe.

Windfoil

Pour le windfoil, les débutants de 70 à 80 kg doivent posséder une bonne technique de planche à voile. Le choix initial s'oriente vers une aile avant d’une surface d’environ 1500 cm² pour maximiser la portance, un fuselage plus long de 85 à 90 cm et un mât de 80 à 85 cm. Les planchistes confirmés réduiront la surface de leur aile avant et la longueur du fuselage tout en allongeant le mât pour gagner en vitesse.

Wingfoil

Débuter en wingfoil pour un gabarit de 70 à 80 kg nécessite un set d’ailes d’une surface d’environ 1700 cm² pour garantir un décollage rapide et une portance constante. Le fuselage sera de 70 à 75 cm et le mât de 80 à 85 cm. Un pratiquant de niveau intermédiaire réduira ces dimensions pour gagner en performance. Il convient de noter qu’un set d’ailes avec une trop grande surface devient difficile à contrôler dans des conditions de vents soutenus : le foil aura tendance à monter excessivement jusqu'à sortir de l’eau, provoquant une ventilation et une chute.

Surfoil

Le surfoil présente l'avantage de pouvoir surfer lorsque les vagues sont petites et peu puissantes, optimisant ainsi les faibles conditions de houle. Pour débuter, il est conseillé de s'orienter vers une aile d’une surface de 1000 à 1300 cm² pour maximiser le contrôle. Avec l’expérience, les surfeurs se dirigent vers des profils fins à aspect ratio élevé pour obtenir plus d’accélération, de dynamisme et de vitesse dans les virages.

Supfoil et Downwind

Le supfoil s'oriente de plus en plus vers la pratique du downwind foil, qui consiste à naviguer à la rame sur une planche équipée d'un foil en suivant la direction du vent et de la houle. Il est essentiel de choisir un foil offrant à la fois portance et stabilité pour gérer les mouvements de mer. Par vent faible, une aile de grande surface est requise pour maintenir le vol sur de longues distances.

Recommandations pour l'apprentissage et le choix du matériel

Pour les débutants et les novices, un foil doté d'une grande aile avant permettant un vol stable et progressif est fortement recommandé. La taille optimale de l'aile avant pour l'apprentissage se situe entre 1700 et 2000 cm². Les débutants doivent privilégier un fuselage moyen à long (70 cm ou 76 cm) afin d'assurer une stabilité longitudinale suffisante. Un mât court (autour de 75 cm) facilite grandement le contrôle de la planche et limite l'amplitude des chutes lors des phases de perte d'équilibre.

Les riders confirmés peuvent quant à eux faire varier la configuration de leur foil en fonction des conditions et de leur programme :

Longueur du fuselage : Les fuselages courts offrent une meilleure maniabilité et plus de pop lors des sauts. Les fuselages longs procurent une meilleure stabilité directionnelle à haute vitesse et une plus grande tolérance aux variations d'assiette.
Longueur du mât : Un mât de 75 cm est adapté aux plans d'eau peu profonds. Un mât de 82 cm est idéal pour une pratique polyvalente de type freeride, freestyle ou dans les vagues de taille moyenne. Un mât de 90 cm (ou plus) convient aux plans d'eau formés avec une houle importante et aux pratiquants recherchant la vitesse maximale tout en évitant que la planche ne touche la crête des vagues.

En ce qui concerne le support de navigation (la planche ou la coque), ses dimensions influent directement sur le comportement global. Une planche plus longue avec du volume permet de prendre plus facilement de la vitesse à la rame pour déclencher le décollage. La largeur de la planche facilite également la phase de rame et stabilise le départ. En revanche, le poids de la planche influe négativement sur la portance : plus l'embarcation est lourde, plus la force de gravité s'oppose à la portance générée par le foil.

Le shape de la planche ou du kayak joue également un rôle important lors des phases de décollage et d'amerrissage involontaire. Un rocker progressif à l'avant (sur le nez) et un double concave sur la carène permettent de maximiser la glisse à basse vitesse pour faciliter le décollage. Une fois en vol, les rails biseautés et un tail (arrière) biseauté ou coupé permettent d'éviter les coups de frein brutaux lorsque la planche touche brièvement la surface de l'eau lors des virages ou durant le pumping.

Sécurité et réglementation en milieu nautique et côtier

La pratique de sports nautiques équipés de foils implique le strict respect des règles de sécurité et de la réglementation en vigueur sur le littoral. La mer et les plans d'eau intérieurs sont des espaces partagés qui exigent une vigilance de chaque instant.

Matériel de sécurité obligatoire

Le matériel de sécurité doit être présent à bord de toute embarcation et maintenu en parfait état de marche. Avant chaque départ, il est impératif de vérifier l'état des équipements d'aide à la flottabilité (EIF) et des moyens de repérage. Pour les engins circulant au-delà de 300 mètres de la bande côtière, l'emport d'un moyen de repérage lumineux individuel, étanche et disposant d'une autonomie minimale de 6 heures, est requis. Pour la pratique de véhicules nautiques à moteur (VNM) ou d'engins similaires dotés d'un coupe-circuit, ce dernier doit être obligatoirement porté par le pilote. De plus, le port d'un équipement en néoprène de 2 mm d'épaisseur minimum (short ou combinaison intégrale) est obligatoire pour la pratique du scooter des mers afin de prévenir les blessures en cas de chute par l'arrière.

Communication et alertes d'urgence

Pour la navigation côtière et hauturière, la radio VHF fixe ou portable reste le moyen de sécurité incontournable à bord. Elle permet de suivre les bulletins météorologiques diffusés par le Centre Régional Opérationnel de Surveillance et de Sauvetage (CROSS), de prendre connaissance des demandes d'assistance des autres navigateurs à proximité et de contacter directement les secours. Depuis le 1er janvier 2017, une radio VHF fixe est obligatoire pour toute navigation semi-hauturière (à partir de 6 milles d'un abri). En cas d'urgence en mer, le numéro national d'urgence 196 permet de joindre gratuitement le CROSS depuis n'importe quel téléphone fixe ou portable. Au large, le canal 16 de la VHF doit être utilisé pour relayer les appels de détresse.

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