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 procure. Le foil, cette innovation qui a révolutionné les sports de glisse, suscite un intérêt grandissant auprès des passionnés de la glisse. Bien que le terme soit désormais courant, la compréhension de la dynamique des fluides qui permet à une planche de s'extraire de l'eau nécessite une analyse précise des forces en jeu.
Genèse historique de la portance sous-marine
L'idée de faire voler un engin sur l'eau n'est pas récente. 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 nœuds. 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. Aujourd’hui, les technologies ont radicalement évolué, et des marques comme Duotone foilwing proposent une gamme complète de foils adaptés aux différentes pratiques.
Anatomie d’un système de portance
Pour comprendre comment la résultante aérodynamique (ou hydrodynamique dans l'eau) permet le vol, il faut décomposer le foil en ses éléments constitutifs :
- Mât : Le mât d’un foil est une pièce en aluminium ou carbone qui fait la jonction entre la planche et le set d’aile avant et arrière. Il transmet les forces du plan d'eau vers le rider.
- Fuselage : Le fuselage est la partie centrale qui relie les ailes au mât. C'est un élément crucial de la structure, car il assure la stabilité et la rigidité de l'ensemble. Il permet de positionner correctement l'aile par rapport au mât, influençant les performances en portance et maniabilité.
- Aile avant : C'est la composante qui génère la portance. Elle 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.
- Aile arrière (stabilisateur) : Elle se situe à l’arrière et joue un rôle crucial dans le contrôle. Sa fonction principale est de générer une portance équilibrante, maintenant une position stable, surtout à grande vitesse.
Paramètres de design et dynamique des fluides
Les paramètres de design comprennent la surface de l'aile, le profil, l'aspect ratio, la longueur du fuselage et du mât. Plus la surface est importante, plus elle procure de la portance, rendant le foil plus accessible. L'aspect ratio, défini par le rapport entre la longueur de l'aile et sa largeur, est déterminant : un aspect ratio élevé (aile longue et étroite) réduit la traînée et augmente l'efficacité, tandis qu'un aspect ratio bas favorise la maniabilité.
Lire aussi: optimiser son aérodynamisme en vélo : les leçons de la voile
Le fonctionnement repose sur le principe de la portance dynamique, similaire à celui d'une aile d'avion. La forme profilée du foil crée une différence de vitesse entre l'extrados (dessus) et l'intrados (dessous) lorsque l'engin se déplace. Cette différence génère une dépression sur le dessus et une surpression sur le dessous, créant la force ascendante. En s'élevant, le foil réduit le contact avec l'eau, diminuant la traînée hydrodynamique et permettant d'atteindre des vitesses élevées.
Analyse des forces : Portance et traînée
La portance est la composante de la résultante des forces de pression exercée sur un corps en mouvement dans un fluide, perpendiculaire à la direction de la vitesse. Contrairement à une sphère qui génère une traînée importante sans portance, le profil d'aile tire profit de sa forme pour diriger les fluides et créer cette force de sustentation. Les forces hydrodynamiques sont comparables à l'aérodynamique, bien que la densité et la viscosité de l'eau imposent des contraintes plus fortes.
La traînée (drag) représente les frottements qui freinent le déplacement. La puissance nécessaire pour vaincre cette traînée augmente considérablement avec la vitesse, pouvant théoriquement atteindre la puissance sixième de la vitesse dans certains régimes. Il est donc crucial d'optimiser le profil pour maintenir une traînée limitée, notamment pour éviter la cavitation, phénomène où la dépression devient trop forte et provoque des bulles de vapeur sur l'extrados, dégradant brutalement les performances.
Équilibre, couples et stabilité longitudinale
Le foil fonctionne dans un état d'équilibre précaire entre quatre forces principales : la portance de l'aile, le poids du système, la poussée de la voile (ou du moteur) et la traînée. Pour maintenir le vol, il faut un équilibre des moments autour du centre de gravité du système (rider, planche, foil).
Le concept de "puissance" d'un foil, souvent évoqué dans le milieu du windfoil, correspond en réalité à la capacité du foil à générer un couple piqueur ou cabreur qui nécessite une compensation de la part du pratiquant. Un foil dit "puissant" demande souvent d'avancer le corps sur la planche pour équilibrer la force de portance. Le stabilisateur joue ici un rôle de correcteur : par sa conception et son bras de levier, il génère une force opposée qui permet de contrer le moment piqueur de l'aile avant.
Lire aussi: Le guide complet de la planche à voile iQFOiL
Adaptation aux différentes pratiques
Le choix du matériel dépend de la discipline :
- Kitefoil : Pour débuter, une aile d'environ 1400 cm² avec un mât de 80-85 cm offre un bon compromis. Les experts réduiront la surface pour gagner en vitesse avec des mâts pouvant atteindre 120 cm.
- Windfoil : Requiert généralement un peu plus de surface (1500 cm²) au début pour supporter le poids du gréement, avec un fuselage long pour la stabilité.
- Wingfoil : La pratique nécessite un décollage rapide, favorisé par des surfaces d'ailes généreuses (autour de 1700 cm² pour un débutant).
- Surfoil et Supfoil : Le surfoil permet d'optimiser les petites conditions de vagues. Les planches plus longues favorisent le départ, tandis que le choix d'un foil à fort aspect ratio en progression permet d'augmenter le dynamisme et l'accélération dans les courbes.
#
Lire aussi: Guide pratique du Foil Surf