Le foil a révolutionné les sports de glisse. Il permet de survoler la houle, de se déplacer d’une vague à l’autre, partiellement ou totalement hors de l’eau. Le foil fonctionne comme un avion sous-marin en générant une force de portance hydrodynamique grâce à la vitesse qu’il acquiert. Composé d’un mât, d’un fuselage, d’une ailette avant et arrière (le stabilisateur), le foil permet au rider de planer sur l’eau. Les ailettes sont disposées de manière parallèle à la planche, et peuvent être contrôlées simplement par une pression des pieds. L’ailette avant a une forme bombée sur la partie supérieure, et plus plate sur la partie inférieure, ce qui crée la portance. Pour optimiser ses performances, comprendre la géométrie de son foil et savoir comment mesurer ses différents composants est essentiel, que l'on pratique le kitefoil, le windfoil, le wingfoil, le supfoil ou encore le dock foil.
Le principe physique de la portance sous-marine
Pour comprendre comment mesurer et concevoir une aile, il convient d'abord de saisir son principe de fonctionnement, qui est plutôt simple. Vous avez déjà vu un avion voler ? Et bien c’est à peu de choses près pareil mais sous l’eau. Le bord d’attaque (côté de l’aile avant du foil) produit une déviation du flux d’eau et ce dernier est aspiré vers le bord de fuite et crée donc une accélération. Puisque la pression de l’eau diminue avec la vitesse, une dépression se crée sur la face du foil où se produit l’accélération (extrados) par rapport à la face opposée (intrados). Les forces dans la zone de dépression étant supérieures à celle dans la zone de surpression, le foil s’élève et il est donc tiré/aspiré vers le haut !
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. 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 réduit le contact avec l'eau, ce qui diminue la traînée hydrodynamique. Cela vous permet d'atteindre des vitesses plus élevées avec moins d'effort.
Les formules clés de l'Aspect Ratio
Qu’est-ce que l’aspect ratio d’un foil ? Avant de choisir entre un foil avec un fort allongement (high aspect ratio) ou un foil avec un faible allongement (low aspect ratio), il est important de comprendre ce qu’est l’aspect ratio. L’aspect ratio d’un foil est un rapport mathématique qui permet de décrire la forme de l’aile. Plus l’aspect ratio est élevé, plus l’envergure de l’aile est grande par rapport à sa corde. Cela signifie que l’aile est plus allongée et plus étroite. L'allongement correspond au carré de l’envergure divisé par la surface de l’aile.
- La formule la plus précise pour calculer l’aspect ratio : Envergure de l’aile au carré divisé par la surface portante de l’aile.
- La formule la plus simple pour calculer l’aspect ratio : Envergure de l’aile divisée par la corde de l’aile. Cette formule est pratique si l’on ne connaît pas la surface portante de l’aile.
La largeur de l’ailette, mesurée du centre du bord d’attaque au centre du bord de fuite, est appelée la « corde ». Derrière ce nom barbare de ratio d’un foil se cache tout simplement un coefficient. Il permet de caractériser l’allongement d’une aile. C’est la longueur au carré de cette aile divisée par sa surface. Si vous aviez une aile parfaitement carrée, on pourrait prendre la longueur du carré par rapport à l’autre côté du carré. Ou sur un rectangle ça marcherait. Mais comme on va avoir des variations de cordes différentes, c’est pourquoi on prend la longueur de l’aile au carré divisée par la surface. Une aile ça se traduit par sa largeur (le span), la corde et sa surface. L’aspect ratio, c’est le rapport entre cette longueur au carré par rapport à la corde, et ça nous donne un coefficient qui nous permet de comparer les ailes entre elles.
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Méthodes pratiques pour mesurer la surface d'une aile chez soi
Pour calculer la surface des ailes de foils, la tâche peut s'avérer complexe car en fonction de l'outline et de l'épaisseur, la taille peut beaucoup changer pour une même corde et envergure. Plusieurs techniques artisanales permettent de mesurer cette surface avec précision.
La méthode du comptage de carreaux (papier quadrillé)
Cette méthode est conçue pour permettre les calculs de portance et de traînée. Pour calculer la surface, le plus simple est de dessiner l'outline de l'aile sur une feuille quadrillée. Il suffit ensuite de compter le nombre de carreaux qui ne mordent pas l'outline, puis le nombre de carreaux qui touchent l'outline, et enfin d'en faire la moyenne. C'est une technique visuelle simple et assez précise.
La méthode de la pesée géométrique
Cette technique consiste à dessiner la surface de l'aile sur une feuille de papier (par exemple au format A3), à découper la forme obtenue, puis à la peser afin d'établir une proportion sur 1 cm². Cependant, dans un matériau trop léger comme le papier standard, cela peut manquer de précision. Sachant qu'une feuille de 1 m² équivaut à 16,03 feuilles A4 ou 8,017 feuilles A3, si la feuille de papier fait 80g/m², cela donne environ 5g pour une feuille A4 et 10g pour une feuille A3. Une balance de cuisine classique offrant une précision de +/- 1 g induira une marge d'erreur représentant environ +/- 125 cm². L'utilisation d'une balance de précision est donc recommandée.
La méthode numérique par comptage de pixels
Une autre solution consiste à prendre une photo de l'aile bien à plat, puis à utiliser un logiciel de traitement d'image pour compter les pixels de l'aile en comparaison avec les pixels d'une surface de référence de dimensions connues.
Les catégories de foils selon leur allongement
Le marché distingue principalement trois catégories de profils d'ailes selon leur ratio d'aspect, chacune répondant à des styles de navigation bien définis.
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Low Aspect Ratio
Ces foils ont beaucoup de corde et très peu d’envergure. 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. La corde offre de la stabilité dans l’axe longitudinal. Un foil à low aspect ratio sera plus maniable, c’est l’idéal si vous souhaitez réaliser des virages serrés tout en ayant une grande facilité de contrôle. Cependant, ils n’offrent pas une grande marge de progression.
Medium Aspect Ratio
C’est un compromis entre un foil high aspect ratio et un foil low aspect ratio. Les foils à allongement moyen offrent un bon équilibre entre portance, vitesse et manœuvrabilité et sont donc polyvalents dans différentes conditions. Si vous recherchez du contrôle et de la maniabilité à haute vitesse, une aile avec un allongement modéré sera plus intéressante.
High Aspect Ratio (Grand Allongement)
Les ailes avant à grand allongement sont aujourd’hui omniprésentes dans les discussions de performance. Leur envergure accrue et leur profil effilé promettent une performance inégalée. À surface égale, une aile high aspect se caractérise par une grande envergure et une faible corde. Les foils à grand allongement 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.
Une aile à grand ratio génère moins de traînée induite, ce qui favorise une meilleure glisse. Plus l’aile est longue, plus elle devient difficile à faire tourner rapidement. À basse vitesse ou en situation instable, ces ailes peuvent être moins tolérantes. Pour les pratiquants en phase d’apprentissage, une aile à grand ratio peut s’avérer déstabilisante.
Modélisation numérique et dynamique des fluides
Pour concevoir et tester virtuellement une aile, des outils numériques spécialisés permettent d'affiner les caractéristiques géométriques avant la fabrication. Le logiciel HELICIEL, par exemple, utilise la théorie de la ligne portante de Prandtl pour le calcul des performances des ailes et des hydrofoils. Les notions de vitesses et d'angles induits introduites dans cette méthode sont utiles pour analyser le comportement aérodynamique ou hydrodynamique.
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Le logiciel permet le calcul de la traînée et de la portance d'une demi-aile. Cela est pratique pour calculer des ailes ou foils fixés sur une coque ou un fuselage, car seules les pertes de bout d'aile du côté libre seront calculées. Si l'on désire calculer les performances d'une aile complète symétrique libre, il suffit de multiplier les résultats pour une demi-aile par 2.
Dans le cadre d'un cahier des charges, on cherche souvent à trouver le meilleur compromis entre la portance, la vitesse et la puissance nécessaire. L'utilisation de la fonction "analyse multiple" permet d'éditer une courbe de portance et de puissance en fonction de la vitesse. Par exemple, si l'on réduit la largeur de l'aile (la corde en bout d'aile passant de 100 mm à 50 mm, et la corde au pied de l'aile passant de 200 mm à 150 mm) pour augmenter son allongement et ainsi diminuer les pertes de bout d'aile, on constate une augmentation de la vitesse potentielle mais une diminution de la portance à puissance équivalente. Il devient alors nécessaire d'ajuster la surface totale pour atteindre l'équilibre souhaité. Lors de ces modélisations, il faut aussi tenir compte du rendement des hélices ou des systèmes de transmission qui diminuent la puissance globale fournie à l'arbre de propulsion.
Le Vé longitudinal et l'impact des cales de réglage
Le réglage d'un foil est très important, autant pour le confort de navigation que pour progresser. Un paramètre géométrique fondamental est le Vé longitudinal, qui correspond à l'angle formé entre l'aile avant et le stabilisateur arrière. La mesure de cet angle permet de comprendre la dynamique de vol du foil et de mesurer l'impact réel des cales que l'on ajoute sur le stabilisateur ou sur la platine.
Les cales sont des éléments qui permettent de régler l’inclinaison de votre mât (cales de platine), de votre aile avant ou de votre stabilisateur. Utiliser des cales permettra d’adapter l’inclinaison de votre planche en navigation et surtout d'améliorer votre confort lorsque vous pratiquez. En jouant sur cet élément, vous forcerez plus ou moins sur les appuis avant ou arrière. L’idée est de trouver un équilibre pour moins se fatiguer et faire durer le plaisir. Elles sont particulièrement utiles lorsque vous utilisez un foil et une planche de marques différentes.
Rôle et influence du stabilisateur et du fuselage
La surface du stabilisateur n’est pas nécessairement proportionnelle à la surface de l’aile avant. Un stabilisateur plus gros offre plus de tolérance sur le placement des pieds. Avec un petit stabilisateur de wing, les appuis doivent être précis et fins. Concernant la progression, les riders auront tendance à diminuer la taille du stabilisateur pour avoir un foil plus vivace. Un petit stabilisateur permet également d'augmenter la plage haute du foil. Plus un stabilisateur est petit, plus il faut recentrer son centre de gravité au-dessus de l’aile avant.
Les ailettes latérales situées sur le stabilisateur (aile arrière) aident à stabiliser le foil longitudinalement pour éviter que le foil ne dérape ou ne fasse des lacets.
En ce qui concerne le fuselage, sa longueur varie généralement de 65 à 90 centimètres. Sur un même modèle de foil, un fuselage long permettra de naviguer avec plus de confort mais procurera moins de réactivité. Pour de longs bords de freeride, il convient de privilégier un fuselage long. À l'inverse, un fuselage court ou réduit oblige à être plus fin sur ses appuis et son placement de pieds, mais offre une meilleure maniabilité et plus de pop lors des sauts. Quand on débute, il vaut mieux choisir un fuselage long.
Choix de l'aile selon la discipline et le niveau du pratiquant
Kitefoil
Pour débuter en kitefoil avec un gabarit moyen (entre 70 et 80 kg), il faut déjà maîtriser le kitesurf. Le choix se portera sur une aile avant d'une surface d'environ 1400 cm² pour obtenir de la portance, un fuselage de 65 à 75 cm et un mât de 80 à 85 cm. Les riders expérimentés s'orienteront vers un set d'ailes et un fuselage plus petits, associés à un mât plus long (entre 95 et 120 cm) pour privilégier les performances et la vitesse.
Windfoil
Les débutants en windfoil (gabarit de 70 à 80 kg) doivent déjà posséder une bonne technique en windsurf. Ils choisiront une aile avant d'environ 1500 cm² pour la portance, un fuselage de 85 à 90 cm et un mât de 80 à 85 cm. Les foils de windfoil sont globalement performants mais nécessitent plus de vitesse pour décoller. Ils sont conçus pour être compatibles avec des planches de windfoil ayant le boîtier reculé par rapport à la position des pieds, ce qui explique pourquoi la distance entre l'aile avant et le mât (la longueur du fuselage avant) y est plus grande.
Wingfoil
Débuter en wingfoil pour un pratiquant de 70 à 80 kg nécessite une aile avant d'une surface d'environ 1700 cm² pour assurer un décollage rapide, un fuselage de 70 à 75 cm et un mât de 80 à 85 cm. Pour quelqu'un qui n'a jamais pratiqué de foil, une aile avant "low aspect" de grande dimension (environ 2000 cm²) reste le meilleur choix pour faciliter le décollage. Un rider intermédiaire réduira ces dimensions pour gagner en performance. Il faut noter qu'une aile avant avec une trop grande surface devient incontrôlable dans des vents soutenus, le foil ayant tendance à monter continuellement jusqu'à sortir de l'eau.
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