Nous considérerons ici , pour la simplicité de la démonstration d’une part, et parce que les vitesses atteintes par nos voiliers de plaisance sont faibles, que nous sommes en présence de fluide parfait dans l’eau ou dans l’air.
Ce qui est vrai dans l’air pour notre voile est identique pour notre dérive dans l’eau.

1- Notion d’écoulement

Vous entendrez souvent parler en voile d’écoulement LAMINAIRE ou TURBULENT…

Dans une situation d’écoulement LAMINAIRE, les particules d’air ou d’eau suivent un direction parallèle sans perturbation, sans frottement.

Dans un écoulement TURBULENT, les particules sont désorganisées est n’ont plus une direction linéaire. Ils peuvent être tourbillonnaire ou juste perturbés

2- Notion de couche limite

SI nous regardons ce qui se passe sur les vitres d’une voiture, un jour de pluie , sur autoroute, on constate que les gouttes d’eau glissent doucement sur les vitres latérales. Elle ne sont pas expulsées sous l’effet de la vitesse, elles collent à la vitre. Elles sont dans cette mince couche que l’on appelle « couche limite« , accrochées au profil et ralenties. C’est à l’intérieur de cette couche limite que vont se trouver les principales résistances à l’avancement telle que la traînée.

3- Notion de trainée

Sur la carène d’un bateau, avançant dans l’eau ou sur le profil de la voile avançant dans l’air, les particules situées dans la couche limite de ces solides, ralentissent et elles freinent aussi les particules juste à coté d’elle ( jusqu’à un certain point ). Ce ralentissement, ce frottement, s’appelle la trainée ou force de résistance à l’avancement.

4- Equation de continuité( lien vidéo)

Il existe une loi démontrée par l’équation de continuité qui dit que lorsqu’un débit volumétrique donné rencontre un retrécissement, le même volume passe mais pour cela il doit augmenter sa vitesse, et inversement. Par exemple: lorsque que vous pincer un tuyau d’arrosage vous constater que la puissance du débit est plus importante. Si je pince l’extrémité d’un tuyau d’arrosage, la vitesse du jet est augmentée puisque je diminue la section du tuyau.

5- Equation de Bernouilli ( lien vidéo )

C’est en 1738 que Daniel Bernoulli a établi le théorème qui porte son nom et qui est le suivant : dans le flux d’un fluide, comme un liquide ou un gaz, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression.

6- Effet de Venturi ( lien vidéo )

L’effet Venturi, du nom du physicien italien Giovanni Battista Venturi, est le nom donné à un phénomène de la dynamique des fluides, selon lequel un fluide en écoulement subit une dépression là où la vitesse d’écoulement augmente, ou là où la section d’écoulement se rétrécit.

L’effet est une manifestation du principe de conservation de l’énergie (formalisé dans le cas des écoulements fluides par le théorème de Bernoulli) et peut s’énoncer de la façon suivante : dans le cas d’un écoulement fluide horizontal, lorsque la vitesse d’écoulement augmente, la pression diminue. On peut également le formuler selon cette variante : dans le cas d’un écoulement horizontal, si la section d’écoulement diminue, la pression dans le fluide diminue également ; dans ce cas, on fait en plus intervenir le principe de conservation de la masse (et donc du débit), qui va causer une augmentation de la vitesse à la suite de la réduction de la section, et de là la diminution de la pression comme ci-dessus.

7- La portance ( lien video )

Si l’on prend l’exemple du profil d’une aile d’avion placée dans un écoulement d’air, celui-ci se déplace plus vite sur la partie supérieure ( appelé extrados ) et moins vite sur la partie inférieure ( appelé ( intrados ) La raison de ce phénomène est du à la l’équation de continuité. En effet, en arrivant sur l’aile, le fluide passant au-dessus se retrouve dans la situation d’un courant arrivant dans un tuyau rétréci. A cette augmentation de vitesse se joint une diminution de la pression ( effet Bernouilli ). La différence de pression entre le dessus de l’aile (extrados, avec une basse pression) et le dessous de l’aile ( intrados avec une légère surpression ), crée une force ascendante (dirigée vers le haut) appelée portance. C’est cette portance qui permet à l’avion de tenir en l’air comme par magie.

8- Le décollement ( lien vidéo )

Le profil de l’aile d’avion est bombé d’un coté. Maintenant on l’aura compris, c’est pour creer une accélération, et donc la force de portance. Sur le profil d’une voile , plus souple on peut régler cette courbe en jouant sur la bordure et la drisse. On peut creuser ou applatir le profil de la voile en fonction si l’on veut donner ou réduire la puissance. Mais Attention il y a une limite. Trop creux et les filets d’air, les particules d’air, vont décrocher : c’est le décollement. En Aviation c’est le décrochage et l’avion chute.

Aérodynamique du voilier

Maintenant , suite à ces notions de base, tachons d’expliquer comment mon voilier fait pour remonter contre le vent ? Précisons, s’il en est besoin que les phénomènes qui se produisent sur une aile d’avion horizontale sont similaires à une voile de bateau dans le plan vertical.

1- La Force Aérodynamique : Force vélique

C’est l’équivalent de la portance sur l’aile d’avion. Cette force a son origine au Centre Vélique de la voile ( CV ) ( dans le premier tiers de la voile, proche du mât ) et est placée perpendiculairement à la corde de la voile ( entre le bord d’attaque et le bord de fuite ) vers l’extérieur sur l’extrados de la voile. Elle ne s’appelle plus portance car elle n’a plus de composante ascensionnelle. Cette Force aérodynamique s’appelle la « force vélique » ( ou poussée vélique ).

La force vélique est la somme de deux forces Force intrados + Force Extrados qui sont:
– la force d’intrados qui est une force qui pousse dans la voile ( faible )
– la force d’extrados qui est une force d’aspiration (deux à trois fois plus importante que la force d’intrados).

Cette force aérodynamique est elle-même divisée en deux composantes:
– force de gîte ( qui tend à faire gîter le monocoque, ainsi qu’à le faire déraper sur l’eau )
– force propulsive ( celle qui fait avancer le bateau )

Cette force vélique n’est pas super bien orientée. Sans plan anti-dérive elle fait plus dériver le bateau que de le faire avancer dans l’axe.

Hydrodynamique du voilier

1- La dérive ( quille ) ou plan anti-dérive

La densité de l’eau est plus importante que celle de l’air. C’est pour cela qu’un dériveur possède une dérive proportionnellement plus petite que la voile, car les forces qui s’y appliquent sous l’eau sont plus importantes que dans l’air. ( selon JY Bernot il y a un rapport de 800 fois la surface de la voile et 28 fois la longueur ).
Sans la dérive le bateau avancerait de travers ( en crabe ) le fait d’y ajouter un plan anti-dérive sous la coque lui permet d’améliorer considérablement sa trajectoire.
La force anti-dérive qui s’applique sur l’extrados de la dérive ( partie opposée à son sens de déplacement ) s’oppose à la poussée vélique et permet au voilier d’avancer (presque droit, il reste une dérive résiduelle de quelques degrès 1° à 7°-8° qui est différente selon les bateaux )

En vent arrière, cette dérive n’est plus utile, car la force de dérive et le sens d’avancement sont orientés dans le même sens. Sur les dériveurs, sur les bords de vent arrière les régatiers remontent la dérive ( inutile ) pour éliminer les résistances à l’avancement. Le bateau est moins stable mais plus rapide. Sur certains gros voiliers ( dériveurs lestés , genre OVNI) il est possible de remonter la quille.

Ayant compris l’expression de ces forces aérodynamiques et hydrodynamique, il nous est maintenant plus facile de comprendre comment notre voilier fait pour remonter au vent.

2- La force de résistance de carène ( la trainée hydrodynamique )

La surface mouillée du bateau s’appelle la carène. Ça représente un solide qui avance dans un fluide, donc cette carène procure une résistance à l’avancement appelée Force de résistance de carène (Fr). C’est pour cela que Tabarly avait commencé à penser aux Foils ( Hydroptère ) pour sortir la carène de l’eau et ainsi éliminer la Fr. Maintenant tout se qui flotte est sur foils ( fun board, kitefoil, paddle-foil, surf-foil, wingfoil, voiliers de l’américa’s cup, voiliers de la route du Rhum….Bientôt les bateaux de plaisance grand public ?? ) On s’aperçoit alors que cette Fr est un véritable frein à la vitesse.

Les grands équilibres

Sur un voilier on trouve des points d’équilibre quand le bateau est immobile, et des points d’équilibre dynamique quand le voilier est en mouvement.

Les points d’équilibre statiques

1- Le Centre de Gravité ( Newton )

Le centre de gravité du bateau s’applique au centre de la masse volumique du bateau. C’est la pesanteur. C’est une force orienté verticalement vers le centre de la terre….vers le fond de l’eau ( hic ! ). C’est de sa faute si le bateau coule !!

2- Le centre de carène ( Archimède )

C’est le centre de gravité de la parie immergée du bateau sur laquelle s’exerce la poussée d’Archimède. Celle qui fait flotter le bateau !! ( on l’aime bien celle là ) Elle s’exerce du bas vers le haut. Le centre de carène se déplace sur le voilier en fonction de la répartition des poids, de la gîte, son assiette longitudinale ou latérale.

Les points d’équilibre dynamiques

1- le centre vélique

C’est le point d’application des forces qui s’appliquent à la voile. Donc la force aérodynamique ( composante de dérive et de propulsion )

En planche à voile on doit jouer avec le déplacement du centre vélique par rapport à la force anti-dérive pour faire loffer ou abattre la planche.