Dans le domaine de l'architecture navale contemporaine, l'intégration des foils a radicalement transformé la navigation, permettant aux voiliers, monocoques comme multicoques, d'atteindre des vitesses autrefois inaccessibles. Cette révolution technologique repose sur des principes physiques fondamentaux liés à l'hydrodynamique.
La Physique des Forces : De l'Aérodynamisme à l'Hydrodynamique
Les forces induites sur un foil sont comparables aux forces appliquées sur une aile d’avion. En effet, les forces aérodynamiques sont similaires aux forces hydrodynamiques, car les ailes d’un avion et les foils évoluent dans des fluides (air et eau), et ont un profil, une forme « d'aile », permettant la création de portance. Néanmoins, l'air et l'eau ne sont pas exactement identiques. En effet, ils se distinguent en un point important : la viscosité. La portance est définie comme la composante de la résultante des forces de pression qui s'exercent sur un corps en mouvement dans un fluide, perpendiculaire à la direction de la vitesse.
Cette définition nous apprend que la portance résulte des forces de pression, c'est-à-dire de la différence de pression entre le dessus et le dessous de l'aile (extrados : dessus, intrados : dessous). Elle nous dit aussi que les forces de portance ne sont observables uniquement que si l’embarcation se déplace dans un fluide, et que celles-ci sont perpendiculaires à la direction de ce déplacement, noté Vr. Sur l'extrados, des forces de dépression « aspirent » l'aile, tandis que sur l'intrados, des forces de surpression « poussent » l'aile. Les forces de dépression sont bien supérieures aux forces de surpression. La traînée, quant à elle, est une force perpendiculaire à la portance, représentant les frottements qui freinent le déplacement.
Comparaison des Profils : Pourquoi la Forme Compte
Sur les schémas d'écoulement, il est possible de comparer un profil d'aile à une sphère. Sur l'écoulement des fluides sur une sphère, il n'y a aucune création de portance due à la forme identique en haut et en bas. N'ayant pas de différence de forme, il n'y a pas de différence de vitesse entre l'intrados et l'extrados et donc pas de différence de pression. À l'inverse, grâce à sa forme profilée, une différence de vitesse entre l'intrados et l'extrados crée une différence de pression qui engendre de la portance. La sphère génère davantage de traînée car les fluides se rencontrent à la même vitesse au même niveau, ce qui génère une aspiration et la freine considérablement.
Historique et Évolution des Appendices Porteurs
Contrairement à ce que nombre de personnes pensent, les foils ne sont pas une invention récente. L’idée d’utiliser des surfaces portantes sous l’eau pour soulever un bateau est développée par l’Anglais Thomas W. Moyet en 1861, puis en 1869, relayée par l’ingénieur mécanicien français Emmanuel D. Farcot. Ce dernier dépose des brevets où il ajoute à un bateau des plans porteurs latéraux dont on peut régler l’inclinaison en fonction de la vitesse.
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Le principe sera amélioré en 1878 par John Stanfield et Josiah Clark, tandis qu’en 1881, Horatio F. Phillips invente le système des foils transversaux pour les navires rapides. En 1906, l’ingénieur-inventeur italien Enrico Forlanini fait les premiers essais de l’Idroplano, atteignant 27 nœuds. Plus tard, en 1938, le Catafoil, réalisé par les Anglais Robert Rowe Gilruth et Bill Carl, marque l'apparition des foils sur les voiliers. En 1969, le marin inventeur anglais James Grogono modifie un Tornado pour lui ajouter des foils, une innovation qui lui permettra de battre six fois le record du monde de vitesse. Les multicoques à foils vont réellement apparaître sous les feux de la rampe avec le trimaran Paul Ricard d’Eric Tabarly en 1980.
La Diversité des Formes de Foils
Les foils se déclinent dans de nombreuses formes et configurations, chacune ayant des performances et des usages spécifiques.
- Foils en C : Ils offrent un effet de portance qui soulève le multicoque, améliorant la vitesse et le confort. Ils sont faciles à contrôler mais moins extrêmes.
- Foils en L : Reconnaissables à leur partie horizontale qui génère la portance, ils offrent une meilleure stabilité et un bon compromis entre performance et contrôle.
- Foils en T : Utilisés sur les safrans et les planches de foil, ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage, bien qu'ils présentent une traînée plus importante au démarrage.
- Foils en V : Très utilisés sur les multicoques de course, ils sont presque autorégulateurs et offrent une très faible surface mouillée.
- Foils en Y inversé : Inventés par Sylvestre Langevin, ils s’autorégulent en diminuant leur portance en se rapprochant de la surface, offrant une régulation « souple ».
- Foils transversaux : Il s'agit d'une lame qui relie les deux coques, agissant comme une aile marine pour alléger le bateau et diminuer la consommation de carburant.
Analyse des Performances et Stabilité
Dans le cas d’un monocoque comme le Moth Foiler, le vol nécessite de quitter le régime archimédien. La force verticale est d’environ 60 daN par foil en « T ». Le barreur joue un rôle crucial de funambule pour stabiliser le bateau. Pour un voilier, l'effet du foil est de décaler la portance sous le vent, ce qui augmente le couple de redressement de manière significative.
La transition entre le régime archimédien et le régime de vol intégral est souvent très violente, se traduisant instantanément par une vitesse multipliée par trois ou quatre. Cependant, un déplacement lourd ne pourra pas atteindre une vitesse stabilisée suffisante pour déclencher la phase de décollage sans une traînée excessive. L'architecte naval recherche donc le meilleur compromis portance/traînée.
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