Le domaine de la navigation à voile connaît une mutation profonde avec l'intégration des foils. Si l'image de ces appendices soulevant les navires au-dessus des flots semble futuriste, leur histoire est pourtant ancrée dans le passé. L’origine du foil est lointaine car c’est dès l’année 1861 en Grande-Bretagne que Thomas Moy installe 3 foils horizontaux sous un canot. Tiré par un cheval (Surrey Canal), le canot se soulève au-dessus de l’eau. Puis en 1885 en France, De Lambert réalise « une sorte de catamaran » avec des tonneaux fixés 2 par 2 l’un derrière l’autre. Une dizaine d’années plus tard, De Lambert et Phillips construisent le premier hydroptère, catamaran supporté par 4 hydrofoils transversaux d’une surface totale de 5,10 m2. A l’aube du 20ème siècle (1904), De Lambert est à l’origine du premier hydroptère autopropulsé à l’aide d’un moteur à explosion de Dion de 14 cv. Et ainsi de suite, des bateaux quelquefois très « originaux » vont voir le jour tout autour de notre planète. Pendant une quarantaine d’années, la technique des foils s’améliore et séduit dans un premier temps les concepteurs de navires à moteur.
Fondamentaux physiques : le principe du vol sur l'eau
Pour comprendre le fonctionnement, il faut se pencher sur la dynamique des fluides. Le foil a une forme profilée qui donne à son côté supérieur bombé (extrados) une longueur plus importante que celle de son côté inférieur (intrados), qui lui, est plat. Les molécules d’eau situées au-dessus du foil sont ainsi accélérées pour arriver en même temps que celles qui sont passées sous le foil, malgré une distance plus importante à parcourir. D’après le théorème de Bernoulli : à altitude égale, la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et inversement. C’est la différence de pression entre l’intrados et l’extrados du foil qui crée la force de portance : déplacement de l’eau de la zone de pression élevée vers la zone de faible pression.
La force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale. Dans cette situation, la partie immergée de la coque (carène) n’a plus de fonction « archimédienne ». Le navire est alors « porté par ses ailes » et se comporte comme un avion. La vitesse du navire augmente au fur et à mesure que sa coque sort de l’eau. La différence entre les hydroptères et les autres bateaux réside dans la portance. Les hydroptères s'élèvent au-dessus de la surface de l'eau grâce à leurs structures en forme d'ailes, ce qui réduit considérablement la traînée et augmente leur vitesse. C'est un contraste frappant avec les bateaux traditionnels qui restent immergés et sont ralentis par la résistance de l'eau.
La mécanique du déplacement vs la sustentation
Un voilier à carène à déplacement répond au principe d’Archimède, il ne déjauge pas et pousse l’eau pour avancer, ce qui ne lui permet pas de dépasser une vitesse théorique, en relation avec la longueur de flottaison. Le fond de coque légèrement en forme de « V » assure la stabilité de cap. Sur un voilier à déplacement, c’est la voile qui fournit la propulsion longitudinale : propulsion vélique, introduisant alors un paramètre relativement complexe nommé « couple de chavirement », dont il faut tenir compte dans la composante latérale de la force propulsive du voilier et la gérer.
Pour les monocoques à déplacement, la situation est différente. Si l’on veut de la puissance, il est nécessaire que la surface de voile soit suffisante pour générer de la force propulsive, induisant alors la vitesse du voilier mais également une force non négligeable qui pourrait intervenir pour faire chavirer ce dernier. Pour contrecarrer le couple de chavirage ainsi créé, on va déplacer au vent le centre de gravité du bateau en utilisant une quille pendulaire et des ballasts liquides. Il est donc pratiquement impossible que des foils installés sur un monocoque à déplacement puissent extraire totalement la coque hors de l’eau, en créant une portance antidérive qui s’ajoute à la portance verticale afin de supprimer les dérives transversales.
Lire aussi: Tout savoir sur la Piscine du Petit Port à Nantes
État de l'art dans la course au large
Les foilers monocoques de la course en solitaire autour du monde « Vendée Globe » apparaissent en 2016, mais ils ne volent pas, « la jauge IMOCA » interdisant un plan porteur (foil) sur un safran. Les architectes navals de CDK Technologies ont construit l’Imoca Charal en faisant évoluer la forme de sa coque pour aboutir « à une coque novatrice, avec une étrave très frégatée, un tableau arrière très arrondi et fermé ».
Parallèlement, dans le petit monde du dériveur, les choses bougent. On les entend à peine et on ne les voit que brièvement. Ils passent avec un léger sifflement et ne laissent qu'une trace discrète à la surface de l'eau avec leurs échasses filigranes. Celui qui maîtrise le dériveur filigrane en fibre de carbone Moth peut atteindre une vitesse de pointe de 30 nœuds - et ce avec un petit bateau de 3,30 mètres de long et de 35 kilos seulement. Dans aucune autre classe, le thème du foiling n'a eu un impact aussi impressionnant et durable que sur l'International Moth. En l'espace de quelques années, cette classe de construction à une main s'est presque entièrement métamorphosée, passant du planeur au foiler. Près de 5000 unités sont aujourd'hui enregistrées dans le monde. Sur un moth, il est évident que c’est le déport du barreur et de sa masse corporelle combinés à la distance horizontale entre le centre de portance du foil et sa position qui génèrent le couple qui va stabiliser le bateau et l’empêcher de chavirer.
Typologies et géométries des foils
Les foils se déclinent dans de nombreuses formes et configurations, chacune ayant des performances et des usages spécifiques en fonction des supports. La conception des plans porteurs intègre un compromis entre portance, stabilité et maniabilité.
- Foils en C : Comme leur nom le suggère, les foils en C ont une forme courbée plus ou moins prononcée en fonction des modèles. Les foils en C ne permettent pas au bateau de voler hors de l’eau. Toutefois, leur utilisation offre un effet de portance qui soulève le multicoque (ou monocoque). Leurs principaux avantages sont d’améliorer la vitesse et le confort en procurant une semi-sustentation.
- Foils en L : Ce sont les foils que l’on peut voir sur les monocoques de course au large ou sur les nouveaux supports de la Coupe de l’America. Ils sont reconnaissables à leur forme en L avec une partie horizontale qui génère la portance. Leur principal avantage est d’améliorer la stabilité par rapport à des foils droits. Ils offrent aussi une meilleure sustentation, et proposent un bon compromis entre performance et contrôle.
- Foils en T : Ils sont constitués d’une partie verticale et d’une aile perpendiculaire horizontale en bout de foil. Ils sont utilisés depuis très longtemps, ce sont ceux que l’on trouve notamment sur les safrans de bateaux, sur les dérives, mais aussi sur les planches de surf à foil. Les avantages des foils en T sont multiples et, en premier lieu, ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage.
- Foils en V : Le foil en V est très utilisé, notamment sur les multicoques de course. Il se compose d’une lame inclinée à plus ou moins 45° vers le centre du bateau. Le premier avantage de ce système, c’est sa simplicité, puisqu’il s’agit plus ou moins d’une seule lame par coque. Le foil en V est pratiquement autorégulateur.
#
Lire aussi: Surfer à Imsouane : Conseils et astuces
Lire aussi: Évolution du 100m nage libre en petit bassin