Le terme « foil », mot anglais signifiant feuille de métal, ou aile d'eau, est un terme de marine désignant une surface portante immergée, horizontale ou inclinée par rapport à la coque. Le mouvement d'eau autour de ce profil crée une force semblable à la portance produite par une aile d'avion. Cette force dirigée pour l'essentiel vers le haut s'ajoute à la poussée d'Archimède et soulève donc le navire, parfois appelé foiler ou navire planant. La dérive ou la quille d'un voilier, plan vertical placé sous la coque, produit une force de même nature mais dirigée sur le côté, pour s'opposer au couple produit par la force du vent sur les voiles. Le soulèvement de la coque réduit, voire supprime, sa surface mouillée (la partie dans l'eau), ce qui a pour effet de réduire ou d'annuler la traînée hydrodynamique (force de résistance née du frottement avec l'eau). Reste la traînée aérodynamique. En mécanique des fluides, un foil ou un hydrofoil est une aile profilée qui se déplace dans l’eau. Ensuite, elle transmet une force de portance à son support. La vitesse de déplacement génère sur le foil une portance hydrodynamique. Elle est capable de soulever la coque du bateau, le kite, le stand up paddle, le surf ou la planche de windsurf partiellement ou totalement hors de l’eau.
Principes physiques et fonctionnement du vol hydrodynamique
Un foil fonctionne sur le principe de la portance, similaire à celui d'une aile d'avion. Un foil est généralement conçu avec une forme profilée, souvent en forme d'aile, qui 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 autre engin se déplace à une certaine vitesse, 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 dessus. Cette différence de vitesse crée une différence de pression : la pression est plus faible au-dessus du foil et plus élevée en dessous. Cette différence de pression génère une force de portance qui soulève l’ensemble au-dessus de la surface de l'eau. En soulevant le support, le foil réduit le contact avec l'eau, ce qui diminue la traînée hydrodynamique.
Le principe de fonctionnement d’un foil de surf relève de la dynamique des fluides. L’aile avant est tirée vers le haut lorsqu’elle avance, car les molécules d’eau qui passent sur l’extrados de l’aile avant accélèrent pour rattraper les molécules d’eau passées sur l’intrados (qui est plus courte car plate). L’accélération des molécules sur la partie supérieure de l’aile crée une dépression et le ralentissement de celles sur la partie inférieure crée de la surpression. La conséquence est un effet d’aspiration vers le haut. Pour décoller, la vitesse doit être suffisamment importante pour créer une force de portance sur l’aile avant. Cumulé à un angle d’incidence élevée (grâce à une pression sur le pied arrière) la planche décolle. Si l’avion utilise la force d’aspiration des molécules d’air, le foil sollicite l’aspiration des molécules d’eau qui ont une densité bien plus élevées que celles de l’air.
Architecture et composants du système de foil
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. 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. 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 profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d’une aile portante. Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques. Le profil est choisi en fonction de la cambrure, qui est fonction du coefficient de portance (Cz) demandé, et de l’épaisseur, qui conditionne la résistance en flexion de l’aile et la déformation sous charge. Le Cz ou coefficient de portance dépend de la masse, de la surface portante et de la vitesse. La portance est F = q S Cz avec q = pression dynamique = 1/2 rho V² et rho = masse volumique du fluide. Le Cx ou coefficient de traînée du foil dépend du profil et de son état de surface. L’angle d’incidence d’un hydrofoil est l’angle entre la corde du profil (droite joignant le bord d’attaque au bord de fuite) et l’écoulement.
Lire aussi: Le guide complet de la planche à voile iQFOiL
Paramètres de design et dynamique des fluides
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. Plus la surface des ailes d’un foil est importante, plus elle procure de la portance, donc un foil plus facile d'accès et plus maniable. Moins de surface des ailes induit moins de portance, donc un foil plus performant en vitesse mais plus technique, destiné à des riders expérimentés. L'aspect ratio d'un foil est un terme qui décrit la relation entre la longueur de l'aile et sa largeur. 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.
Les foils peuvent être classifiés en différents types selon leur conception et leur orientation par rapport au mouvement de l'eau. Les types courants incluent les foils en V, en L et en T. Dans le cas des hydrofoils à surface fixe immergés, la surface portante est entièrement et constamment immergée sous l’eau. L’avantage de cette configuration est sa capacité à isoler la planche de l’effet des vagues et du frottement sur l’eau. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé mais n’est pas naturellement stable en tangage et en roulis. 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 grand allongement ont une plus grande envergure, de meilleures caractéristiques de planning et restent en vol à des vitesses inférieures à celles des foils à faible allongement.
Histoire et évolution de la technologie
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.
La conception des foils a considérablement évolué, grâce aux avancées technologiques et à une meilleure compréhension des dynamiques fluides. Les matériaux utilisés, tels que les composites à base de fibres de carbone, ont révolutionné les performances des foils en réduisant leur poids tout en augmentant leur résistance et leur flexibilité. Des logiciels de simulation de pointe permettent aujourd'hui de prédire avec précision les performances d'un foil avant même sa fabrication, ce qui permet d'optimiser les designs pour une efficacité maximale. Des systèmes de foils actifs, qui ajustent leur angle et leur positionnement en temps réel via des mécanismes automatisés, sont de plus en plus courants. Ces systèmes améliorent la stabilité et la performance globale du navire en s'adaptant dynamiquement aux changements de conditions maritimes et de vitesse.
#
Lire aussi: Guide pratique du Foil Surf
Lire aussi: Tout savoir avant d'acheter une planche à voile foil d'occasion