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 procurent. Le foil, cette innovation qui a révolutionné les sports de glisse, suscite un intérêt grandissant auprès des passionnés de la glisse. Pour appréhender cette technologie, il est indispensable de disséquer ses composants, notamment le mât (shaft) et les extrémités des ailes (tips), ainsi que leur interaction physique avec l'eau.
Origine et évolution historique
Le concept du foil n'est pas récent ; il a été théorisé et expérimenté bien avant l'avènement des matériaux composites modernes. 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 Éric 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 foils ont radicalement transformé le monde des bateaux en permettant à divers types de machines de naviguer à des vitesses incroyables. En réduisant la traînée et en augmentant l'efficacité, les foils permettent aux bateaux de s'élever au-dessus de la surface de l'eau, offrant une navigation plus fluide et rapide.
Structure technique : Mât et Fuselage
Pour comprendre le fonctionnement global, il faut examiner chaque pièce du puzzle. 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 (le stabilisateur). Le fuselage d'un foil est la partie centrale qui relie les ailes au mât. C'est un élément crucial de la structure du foil, car il assure la stabilité et la rigidité de l'ensemble.
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Le fuselage permet également de positionner correctement l'aile par rapport au mât, ce qui influence les performances du foil en matière de portance et de maniabilité. Plus le fuselage est long, plus le foil est stable, plus le fuselage est court, plus le foil est maniable et agile. La longueur du mât, quant à elle, varie selon la pratique et le spot : un mât court (environ 75 cm) convient aux endroits où le niveau de l'eau est peu profond, tandis qu'un mât de 90 cm convient aux spots avec une houle plus forte et aux wingfoilers qui recherchent la vitesse maximale.
L’aile avant et le stabilisateur : Rôles et dynamique
L’aile avant est la composante du foil qui génère la portance lorsque le foil est en mouvement dans l'eau. Elle est située à l'avant du fuselage et 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 de l'eau.
Une aile arrière, également appelée stabilisateur, est une partie essentielle du foil. Elle se situe à l'arrière et joue un rôle crucial dans la stabilité et le contrôle de la planche lorsqu'elle est en mouvement sur l'eau. La fonction principale de l'aile arrière est de générer une portance qui aide à équilibrer la planche et à maintenir une position stable, surtout à grande vitesse.
Le rôle spécifique du « Shaft » et du « Tip »
Dans la navigation de haute performance, comme celle pratiquée par les monocoques de 60 pieds IMOCA, la terminologie devient plus précise pour distinguer les zones de travail du foil. Sur ces navires, on distingue le "shaft" (la partie plongeante) du "tip" (l'extrémité ou l'embout du foil).
Le shaft empêche le bateau de dériver (de se déplacer en crabe) et contre l'effort des voiles. En prime, la portance du « tip » du foil associée à celle de la quille inclinable génère une poussée verticale qui réduit notablement le déplacement du bateau. Le tip, contrairement à une dérive classique, permet de pousser vers le haut pour que le bateau décolle.
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Comme l'indique Franck Cammas, "3 tonnes sont appliquées vers le haut uniquement sur cette partie-là [le tip], ce qui est beaucoup moins de 1 m2". Le jeu consiste à régler cette partie pour avoir en permanence une hauteur de vol stable. Les pilotes utilisent des commandes à la barre avec de tout petits steps de changement d'angle, ce qui corrige l'angle du tip ; c’est ce que l’on appelle le réglage du rake.
Paramètres de design et performance hydrodynamique
Les paramètres de design d'un foil comprennent la surface de l'aile, le profil, l'aspect ratio, la longueur du fuselage et la longueur du mât. L'aspect ratio d'un foil est un terme qui décrit la relation entre la longueur de l'aile et sa largeur. Plus précisément, il est calculé en divisant la longueur de l'aile par sa largeur.
Un aspect ratio élevé signifie que l'aile est longue et étroite, tandis qu'un aspect ratio bas indique qu'elle est plus courte et plus large. Un aspect ratio élevé est souvent associé à une meilleure performance en termes de portance et d'efficacité car il réduit la traînée. Cela permet au foil de glisser plus facilement à travers l'eau, ce qui est particulièrement avantageux pour les vitesses élevées. En revanche, un aspect ratio plus bas peut offrir une meilleure maniabilité et une plus grande stabilité, ce qui peut être souhaitable dans certaines conditions ou pour des styles de navigation spécifiques comme le surf foil.
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. Les foils à allongement moyen offrent un bon équilibre entre portance, vitesse et manœuvrabilité. Enfin, les foils à grand allongement ont une plus grande envergure, de meilleures caractéristiques de planning et restent en vol à des vitesses inférieures, ce qui les rend particulièrement adaptés pour maximiser l'efficacité, notamment dans les vents légers, les petites vagues et pour le pumping.
Mécanique de la portance : Le principe physique
Le foil fonctionne sur le principe de la portance, similaire à celui d'une aile d'avion. La forme profilée, souvent en forme d'aile, permet de créer une différence de pression entre le dessus et le dessous de la surface du foil lorsqu'il se déplace dans l'eau. Lorsque le foil est immergé et qu'un bateau ou un engin se déplace, l'eau s'écoule autour du foil. La forme du foil fait que l'eau se déplace plus rapidement sur le dessus que sur le dessous. Cette différence de vitesse crée une différence de pression : la pression est plus faible au-dessus du foil et plus élevée en dessous. Cette force ascendante soulève l’ensemble au-dessus de la surface de l'eau.
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En soulevant le support, le foil réduit le contact avec l'eau, ce qui diminue la traînée hydrodynamique. Cette portance est exponentielle avec la vitesse : plus on va vite, plus ça pousse et plus on vole. C’est pour cela qu’aujourd’hui, les IMOCA du Vendée Globe et les trimarans Ultim les plus récents décollent de l’eau à partir d’une vitesse de 15 nœuds, atteignant des pointes de vitesse à 40 nœuds.
Adaptation aux différentes disciplines nautiques
Pour la pratique du foil, le choix du matériel doit être corrélé à l'objectif et au niveau. En général, les foils avec une aile avant plus grande procurent plus de portance et de stabilité, étant destinés aux débutants, tandis que les ailes plus petites permettent des vitesses plus élevées et des manœuvres plus agiles.
Dans le Kitefoil, un débutant (70-80 kg) choisira un set d’ailes d’environ 1400 cm², un fuselage de 65-75 cm et un mât de 80-85 cm. Les experts réduiront la surface des ailes et du fuselage tout en allongeant le mât jusqu’à 120 cm pour gagner en vitesse. Pour le Windfoil, les débutants privilégieront une surface de 1500 cm² avec un fuselage de 85-90 cm. Le Wingfoil, quant à lui, nécessite environ 1700 cm² pour un décollage rapide chez un débutant, avec une garde en tête : un set d’ailes avec une grande surface reste incontrôlable dans des conditions de vents soutenues, car le foil va toujours monter jusqu'à sortir de l’eau et provoquer une chute.
Le Surfoil permet de pratiquer même lorsque les vagues sont petites. Pour débuter, une surface de 1000 à 1300 cm² maximise le contrôle, avant de passer à des profils plus fins et un aspect ratio élevé pour gagner en accélération. Enfin, le Supfoil, particulièrement orienté vers le downwind, demande un équilibre entre portance et stabilité pour gérer les conditions de mer variables.
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