« Sur un voilier classique, plus on va vite et plus ça tape et c'est dur. Avec les foils, on s'affranchit des principes d'Archimède. En s'élevant au-dessus de la surface de l'eau, la coque n'a plus rien pour la freiner. On éprouve une sensation d'accélération presque infinie. Et, de facto, d'immense liberté ». Navigateur multicouronné, rompu à tous les sports de glisse sur l'eau, fondateur de l'écurie de course Mer Concept, François Gabart n'a pas de mots assez forts pour décrire l'expérience éprouvée à bord d'un « foiler ». Pour celui qu'on surnomme « Le petit prince des mers », comme pour tous les nouveaux adeptes, lorsqu'on y a goûté on devient vite accro. Voilà qui explique probablement l'incroyable succès de ces étranges appendices aux formes les plus variés qui permettent de voler au-dessus de l'eau. D'abord testés sur les bateaux de course, les foils sont en train de coloniser toutes les disciplines du nautisme. Dériveurs, catamarans, kitesurfs, windsurf, stand up paddle, surf, mais aussi jet ski, vélos, ou bateaux à moteur… pratiquement plus rien de ce qui glisse ou navigue ne propose désormais un ou plusieurs modèles à foil.
Définition et principes fondamentaux de fonctionnement
Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Lorsqu'un bateau atteint une certaine vitesse, les foils grâce à leur profil semblable à une aile d’avion créent une portance suffisante pour soulever la coque hors de l'eau, réduisant ainsi la surface de contact avec l’eau et la traînée et augmentant la vitesse. Cette portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, similaire au fonctionnement des ailes d'un avion. Les foils peuvent être adaptés à divers types de bateaux, des voiliers aux bateaux à moteur, en passant par les hydoptères (hydrofoils) et les catamarans.
Les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites comme la fibre de carbone pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée. Des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer significativement les performances d'un bateau. Les profils des foils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques.
Le fonctionnement des foils repose sur les principes de l'hydrodynamique. Lorsque le bateau accélère, l'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil, générant une portance. Cette portance soulève le bateau, réduisant le contact avec l'eau et donc la résistance. Les foils sont particulièrement efficaces sur les hydoptères et les voiliers, permettant à ces bateaux d'atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité optimale. Les systèmes de stabilisation active utilisent des capteurs et des contrôleurs pour modifier en temps réel l'angle des foils, garantissant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions de navigation.
Un foil fonctionne sur le principe de la portance, similaire à celui d'une aile d'avion. 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 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. Cela vous permet d'atteindre des vitesses plus élevées avec moins d'effort.
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L'évolution historique : des pionniers aux compétitions modernes
Bien qu'il soit spécifique à chaque matériel, cet aileron profilé contribue à décloisonner les disciplines. Basé sur la mécanique des fluides, le principe de fonctionnement de ces « plans porteurs », comme on les nomme dans le jargon scientifique, est connu depuis longtemps. Les premières tentatives d'installer ce type d'aileron sur des canots remontent au XIXe siècle. Mais pendant longtemps les bateaux équipés de foils étaient surtout l'affaire de quelques précurseurs regardés un peu comme des savants fous.
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 noeuds.
L'histoire s'accélère avec Eric Tabarly. Toujours à la pointe de l'innovation, notre « loup de mer national » parvient à faire construire le premier grand multicoque équipé de deux foils sur les flotteurs. Mis à l'eau en 1979, son « Paul Ricard » pulvérise l'année suivante le record de la traversée de l'Atlantique en dix jours, cinq heures et quatorze minutes. Tabarly ira encore plus loin avec « Hydroptère » qui, grâce à un troisième aileron installé sur le safran, sera le premier trimaran à voler véritablement au-dessus de l'eau. Repris par son disciple Alain Thébault, cet engin futuriste mis à l'eau en 1994 va aussi être le premier à passer en 2008 la barre mythique de 50 noeuds, s'offrant même des pointes à plus de 61 noeuds.
La Coupe de l'América reste d'ailleurs le « driver » de l'innovation dans ce domaine. En 2010, l'équipe de Larry Ellison remporte l'épreuve et opte pour des catamarans à foils pour l'édition suivante. Fin 2013, dans la baie de San Francisco des millions de téléspectateurs découvrent les prouesses de ces engins volants qui dépassent allègrement la vitesse du vent. C'est le vrai début de cette révolution nautique. Plus récemment, les skippeurs de « Team New Zealand » ont décidé de revenir aux monocoques. Mais désormais, ces AC75 de 22,86 m sont entièrement conçus à partir des caractéristiques de leurs foils, sur lesquels reposent en grande partie les performances du bateau. L'équipage a bradé le short et le polo pour des casques et des combinaisons antichoc.
Composants structurels et paramètres de design du foil
Le foil se compose de plusieurs pièces maîtresses :
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- Mât : Le mat 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).
- Fuselage : 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.
- Aile avant : 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.
- Aile arrière ou stabilisateur : 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.
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. Ces caractéristiques influencent la portance, la stabilité, la maniabilité et la vitesse du foil. 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. 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.
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. Ils restent idéaux pour débuter. Les foils à allongement moyen offrent un bon équilibre entre portance, vitesse et manœuvrabilité et sont donc polyvalents dans différentes conditions. 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. Ils sont donc particulièrement adaptés pour maximiser l'efficacité et les performances, notamment dans les vents légers, les petites vagues et pour le pumping. Ces derniers restent destinés aux pratiquants d’un niveau intermédiaire ou expert.
Les facteurs influençant la portance, la maniabilité et la stabilité
Lorsque l’on touche à la dynamique des fluides, le moindre détail ou changement apporté au Foil a son importance et influe sur ses caractéristiques. La portance du Foil, ou l’effet d’aspiration vers le haut, varie principalement selon la taille de l’aile avant, son épaisseur, sa forme de profil et l’angle d’incidence de celui-ci. Plus la surface d’une aile est grande avec de l’épaisseur et plus elle génère de portance. Plus l’angle d’incidence est positivement élevé et plus celui-ci génère de portance mais freine le foil. En revanche, plus ces paramètres sont faibles, plus la portance est réduite. A surfaces, angles, épaisseurs égaux, deux profils différents entraineront des portances et vitesses différentes. En effet, les spécificité du profil de l’aile avant vont jouer sur la portance générale du Foil.
Parallèlement à la portance du Foil, la vitesse de celui-ci dépend de la surface et de l’angle d’incidence de l’aile avant. Ensuite, les spécificité du shape de l’aile pour une même surface jouent sur la vitesse du Foil. Une aile avec moins de corde et donc plus d’envergure sera plus rapide. L’aile arrière (stabilisateur) joue pleinement sont rôle pour stabiliser le Foil. Les facteurs externes influant sur la stabilité du Foil sont forcément le poids du pratiquant et ses aptitudes techniques mais aussi le type de plan d’eau sur lequel le Surf Foil est pratiqué.
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L’élément majeur concernant la maniabilité reste la forme de l’aile avant, à savoir notamment la courbe latérale, qui accentuée permet de tourner plus facilement avec le Foil. Une courbe latérale élevée donnera un foil plus maniable mais plus lent car pour la même surface de portance (ombre portée au sol) la surface totale sera plus importante et freinera. L’envergure influence aussi la maniabilité. Plus l’envergure sera importante et plus le foil planera longtemps mais moins les courbes seront serrés. En adaptant la longueur du fuselage, la taille du stabilisateur on peut rendre un foil beaucoup plus maniable et ainsi avoir un compromis entre le glide, la facilité du pumping et la maniabilité du foil.
Applications par discipline nautique : du kitefoil au supfoil
Les applications du foil touchent aujourd'hui un large éventail de disciplines :
- Kitefoil : Les débutants avec un gabarit (entre 70 - 80 Kg) en kitefoil devront déjà maîtriser la pratique du kitesurf. Ils choisiront un set d’ailes d’une surface d’environ 1400cm² pour plus de portance, un fuselage entre 65 à 75 cm et d’un mât d’une longueur de 80 à 85 cm. Les riders avec un niveau de pratique maîtrisée, feront le choix d’un set d’aile et d’un fuselage plus petit, d’un mât plus long : entre 95 et 120 cm pour encore plus de performances et de vitesse.
- Windfoil : Les débutants avec un gabarit (entre 70 - 80 Kg) en windfoil devront déjà avoir une bonne technique du windsurf. Ils choisiront un set d’ailes d’une surface d’environ 1500cm² pour plus de portance, un fuselage entre 85 à 90 cm et d’un mât d’une longueur de 80 à 85 cm. Idem que pour la pratique du kitesurf, les riders avec un niveau de pratique maîtrisée feront le choix d’un set d’aile et d’un fuselage plus petit et d’un mât plus long.
- Wingfoil : Débuter en wingfoil pour un rider avec un gabarit (entre 70 - 80 Kg) nécessite un set d’ailes d’une surface d’environ 1700cm² pour avoir de la portance et un décollage rapide, un fuselage entre 70 à 75 cm et d’un mât d’une longueur de 80 à 85 cm. Un rider intermédiaire réduira ses caractéristiques, toujours pour plus de performances. Sans oublier qu’un set d’ailes avec une grande surface reste incontrôlable dans des conditions de vents soutenues, votre foil va toujours monter jusqu'à sortir de l’eau et provoquer une chute.
- Surfoil : Le surfoil a pour avantage indéniable de pratiquer le surf lorsque les vagues sont plus petites. Il permet d’optimiser les faibles conditions de vagues. Pour débuter en surf foil, nous vous conseillons de choisir un foil d’une surface de 1000 à 1300cm² qui va maximiser le contrôle. Avec la pratique, dirigez-vous vers des types d’ailes plus petites à profil fin et un aspect ratio élevé pour plus d’accélération, plus de vitesse et plus de dynamisme.
- Supfoil : La pratique du supfoil est de plus en plus orientée vers le downwind foil. Il est essentiel de choisir un foil qui offre à la fois portance et stabilité, tout en étant capable de gérer les conditions de mer et de vent variables. Pour des conditions de vent faible : un foil plus grand avec une surface de portance plus importante est préférable.
Guide pratique : le changement du boudin de bord d'attaque sur une aile de wing
Comment, changer le boudin de sa voile de wingfoil, voilà une bonne question ! J’ai eu le malheur de percer le boudin du bord d’attaque ou bladder de ma wing lors de mes sessions de navigation. Si cela vous arrive, voici les étapes pas à pas pour effectuer le remplacement de cette membrane en plastique.
Tu vas à la première extrémité de ta voile et tu mets tes doigts à l’intérieur. Trouve le velcro, il est identifié par la couture carrée. Ensuite, tire le bord d’attaque vers toi. Ouvre la fourreau et tu vas trouver l’extrémité de ton boudin de bord d’attaque. Parfois il y a un autocollant avec des indications mais ce n’est pas toujours le cas. Accroche une cordelette avec une tête d’alouette à l’extrémité au niveau de la partie en tissu autocollante. Tu peux les détacher du boudin que tu vas réparer ou pas en fonction de son état.
Prochaine étape qui n’est pas obligatoire mais qui est bien pratique, c’est de mettre du talc sur ton nouveau boudin surtout si l’aile a été à l’eau récemment. L’avantage c’est que ça va l’aider à bien glisser à l’intérieur du bord d’attaque et à bien se positionner. Les prochaines étapes sont cruciales et demandent de la patience et surtout du doigté. Pose bien ta voile à plat et aplatis bien le bord d’attaque. Si tu as des autocollants aux extrémités, tu peux les décoller de l’ancien boudin et les remettre sur le nouveau. Tu devez plier la nouvelle membrane en accordéon bien à plat également.
Commence par un côté et remets la cordelette à l’extrémité sans trop serrer pour ne pas la déchirer et introduis-la à plat à l’intérieur. Tire sur l’extrémité de ta cordelette de manière uniforme et délicatement en faisant la plus belle ligne droite possible. Une fois que tu es arrivé au bout, tu enlèves la cordelette. Je t’invite à connecter de suite les branchements au niveau de la valve de la latte centrale si tu en as et de bien remettre la valve principale avec le velcro. Il ne te reste plus qu’à faire la même chose de l’autre côté du bord d’attaque.
Re-ferme le zip en prenant bien soin de ne pas pincer ta nouvelle membrane et en mettant bien le rabat à l’intérieur. Pour terminer, tu gonfles ta voile de manière progressive et tu pries pour que tout soit bien en place. Petite astuce, gonfle progressivement et tapote le bord d’attaque pour que le boudin se mette bien en place. D’autres te diront de malaxer au fur et à mesure le bord d’attaque. Si jamais tu as une extrémité de ta voile qui est plus relevée que l’autre, c’est que le boudin est mal mis. Dégonfle et essaie de bien positionner la membrane. Tu ne dois pas avoir de pliures.