La navigation à la voile repose sur une compréhension fine des interactions entre des fluides - l'eau et l'air - et des structures solides : la carène et le gréement. Que l'on soit aux commandes d'un catamaran de croisière ou d'un dériveur de sport, les principes physiques qui régissent la propulsion restent les mêmes. Plonger dans la mécanique des fluides, c'est découvrir pourquoi et comment un voilier parvient à remonter contre le vent, transformant une force aérodynamique en mouvement propulsif.
Dynamique des fluides : la couche limite et l’équation de continuité
Dans un écoulement TURBULENT, les particules sont désorganisées et n’ont plus une direction linéaire. Si nous regardons ce qui se passe sur les vitres d’une voiture, un jour de pluie, sur autoroute, on constate que les gouttes d’eau glissent doucement sur les vitres latérales. Elles ne sont pas expulsées sous l’effet de la vitesse, elles collent à la vitre. Elles sont dans cette mince couche que l’on appelle « couche limite », accrochées au profil et ralenties. Sur la carène d’un bateau, avançant dans l’eau, ou sur le profil de la voile avançant dans l’air, les particules situées dans la couche limite de ces solides ralentissent et elles freinent aussi les particules juste à côté d’elles jusqu’à un certain point.
Il existe une loi démontrée par l’équation de continuité qui dit que lorsqu’un débit volumétrique donné rencontre un rétrécissement, le même volume passe mais pour cela il doit augmenter sa vitesse, et inversement. Par exemple, lorsque vous pincez un tuyau d’arrosage, vous constatez que la puissance du débit est plus importante. L’effet est une manifestation du principe de conservation de l’énergie, formalisé dans le cas des écoulements fluides par le théorème de Bernoulli. Ce principe peut s’énoncer de la façon suivante : dans le cas d’un écoulement fluide horizontal, lorsque la vitesse d’écoulement augmente, la pression diminue.
Si l’on prend l’exemple du profil d’une aile d’avion placée dans un écoulement d’air, celui-ci se déplace plus vite sur la partie supérieure (appelé extrados) et moins vite sur la partie inférieure (appelé intrados). La raison de ce phénomène est due à l’équation de continuité. En arrivant sur l’aile, le fluide passant au-dessus se retrouve dans la situation d’un courant arrivant dans un tuyau rétréci. À cette augmentation de vitesse se joint une diminution de la pression (effet Bernoulli). 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 appelée portance. Le profil de l’aile d’avion est bombé d’un côté ; c’est pour créer une accélération, et donc la force de portance. Sur le profil d’une voile, plus souple, on peut régler cette courbe en jouant sur la bordure et la drisse. On peut creuser ou aplatir le profil de la voile en fonction de si l’on veut donner ou réduire la puissance. Mais attention, il y a une limite : trop creux et les filets d’air, les particules d’air, vont décrocher : c’est le décollement.
La navigation au près : remonter le vent par la portance
Comment mon voilier fait-il pour remonter contre le vent ? C’est l’équivalent de la portance sur l’aile d’avion. Cette force a son origine au Centre Vélique (CV) de la voile - situé dans le premier tiers de la voile, proche du mât - et est placée perpendiculairement à la corde de la voile, vers l’extérieur sur l’extrados. Elle ne s’appelle plus portance car elle n’a plus de composante ascensionnelle. Cette force vélique n’est pas toujours idéalement orientée pour la progression pure vers l’avant.
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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, inutile, pour éliminer les résistances à l’avancement. Le bateau est moins stable, mais plus rapide.
La surface mouillée du bateau s’appelle la carène. Elle représente un solide qui avance dans un fluide, donc cette carène procure une résistance à l’avancement appelée Force de résistance de carène (Fr). C’est pour cela qu’Éric Tabarly avait commencé à penser aux foils pour sortir la carène de l’eau et ainsi éliminer la Fr. Maintenant, tout ce qui flotte utilise des foils : funboard, kitefoil, paddle-foil, surf-foil, wingfoil, voiliers de l’America’s Cup, voiliers de la Route du Rhum. Bientôt les bateaux de plaisance grand public ?
Le centre de gravité du bateau s’applique au centre de la masse volumique du bateau. C’est la pesanteur, une force orientée verticalement vers le centre de la terre. C’est aussi le centre de gravité de la partie immergée du bateau sur laquelle s’exerce la poussée d’Archimède, celle qui fait flotter le bateau. Elle s’exerce du bas vers le haut.
Stratégies et tactiques au près
La navigation au près est l’une des techniques fondamentales de la voile, permettant de progresser efficacement face au vent en optimisant les réglages et les trajectoires. Allure exigeante sur le plan technique et stratégique, elle repose sur un subtil équilibre entre les forces physiques agissant sur le bateau et les ajustements réalisés par le skipper. Naviguer au près implique une navigation en zigzag, appelée louvoyage, en utilisant des virements de bord. Cette stratégie permet au voilier de progresser en direction d’un objectif situé sous le vent apparent, tout en respectant les limitations de l’angle minimal d’incidence.
La capacité à remonter le vent dépend de la finesse du bateau, de la qualité des réglages (tension du gréement) et des conditions de mer. Une mer agitée peut réduire l’efficacité du près, car les chocs contre la houle ralentissent la progression. En règle générale, la voile d’avant doit être bordée au plus près sans faseyer, en ajustant le chariot pour équilibrer la puissance, tandis que la grand-voile est bordée fermement avec une écoute tendue, tout en surveillant le point de faseyement le long du guindant.
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Parmi les erreurs fréquentes, une voile trop bordée réduit la portance et augmente la traînée. De même, une gîte excessive augmente la traînée hydrodynamique et réduit l’efficacité des voiles. Il est préférable de réduire la voilure ou d’ajuster le positionnement de l’équipage pour maintenir une assiette stable. Lors des premiers réglages, on a tendance à vouloir sur-border les voiles, ce qui ralentit le bateau et le fait dériver exagérément.
Réglages avancés : la maîtrise du profil
Les réglages s’effectuent sur un ensemble - le plan de voilure - et non uniquement sur la grand-voile ou la voile d’avant. La première question est celle de la réduction de voilure : combien de ris dans la grand-voile ?
L’angle d’incidence correspond à l’angle d’ouverture des voiles par rapport à la direction du vent apparent. Le réglage du creux est déterminant : un creux avancé donne de la puissance, tandis qu’un creux reculé permet de naviguer plus près du vent. Le vrillage d’une voile, qui consiste à former une sorte de « S » sur la chute, a pour action d’évacuer l’air en haut de la voile, ce qui est crucial car, plus on monte en altitude, plus il y a de vent.
Pour optimiser le réglage :
- La voile d’avant : Si le vent se renforce, on déplace le chariot vers l’arrière pour ouvrir la chute. Si le bateau est sous-toilé, on avance le chariot pour fermer la chute et gagner en puissance.
- La grand-voile : Le chariot de grand-voile et l’écoute travaillent de concert. Le hale-bas soulage le travail de l’écoute et permet de gérer le vrillage de manière plus précise.
- Le pataras : Il agit comme un régulateur de tension de l’étai. En le tendant, on aplatit la voile d’avant, ce qui est idéal par vent fort pour réduire la puissance et augmenter la stabilité.
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