Fonctionnement d'un voilier

Un voilier comporte plusieurs centres géométriques qui déterminent son équilibre.

Nous verrons en quoi ces centres géométriques interviennent dans l'équilibre du voilier.

Parmi ces centres géométriques, nous retrouvons le centre et le métacentre de carène, le centre de gravité, le centre vélique et le centre antidérive. 

 

Centre de carène : Cc, point d’application de la poussée d’Archimède ou force de Sustentation S

centre de gravité : Cg, point d’application du Poids P

Centre de dérive : Cd, centre d’application des résultantes des portances des œuvres vives et des appendices dans l’eau, force Hydrodynamique, Fh

Centre de voilure : Cv, point d’application de la résultante des forces de portance de la voiles ( ou des voiles), force Aérodynamique, Fa

Tout d’abord, on va voir les forces exercées sur le voilier lorsqu’il est à l’arrêt :

 

Force sur la coque du voilier :

 

La coque du bateau qui est immobile subie deux forces exercées de bas en haut : le poids, P, qui s’applique au centre de gravité, Cg, et la poussée d’Archimède, S, qui s’exerce au centre de carène Cc, et qui le fait flotter. La poussée d’Archimède est verticale, et s’exerce du bas vers le haut et à une intensité égale au poids du volume d’eau déplacé.

Maintenant, les forces exercées sur le voilier lorsqu’il est en mouvement :

 

Le voilier se déplace dans l’air et dans l’eau. Ainsi lorsqu’il va se déplacer il va subir 2 actions : celle du vent sur sa/ses voile(s) et celles de l’eau sur sa coque

 

 

Force sur la voile :

Le vent va induire dans une voile une force, dite Force Aérodynamique, Fa, qui peut être décomposée en deux forces, l’une orientée vers l’avant, force de Propulsion, Fp, l’autre, perpendiculaire à l’axe du bateau, de Dérive, Fd.

Ces forces s’appliquent au centre de voilure Cv de la voile. S’il y a plusieurs voiles, chaque voile va crée une force vélique qui se combine avec celle des autres voiles. On peut déterminer une force vélique résultante qui s’applique au centre de voilure combiné du bateau.

 

 

Force sur la coque et les appendices :

La coque en mouvement subit des forces de résistance au déplacement : la force hydrodynamique, Fh, qui s’applique au centre de carène, Cc, où la position dépend de la configuration de la coque dans l’eau (forme de la coque, de la dérive, gite, assiette, etc…). Cette force est décomposée en deux résultantes, une résistance à l’avancement, ou « trainée » Ft et une résistance à la dérive, ou « portance » Fp.

Les forces hydrodynamiques (dans l’eau) et les forces aérodynamiques (dans l’air) s’équilibrent lorsque le bateau avance avec une vitesse régulière. S’il y a déséquilibre entre les forces, la vitesse, l’assiette ou la direction de déplacement se modifient.

Ces forces créent des couples qui auront pour effet de provoquer des rotations du bateau : rotation autour d’un axe longitudinal, la gite et rotation autour d’un axe vertical, l’auloffée ou l’abattée.

Explication de ce fonctionnement :

 

Cette explication du fonctionnement d’un voilier vient du physicien Suisse Daniel BERNOUILLI en 1938 :

 

Le principe de Bernouilli permet de faire voler des avions ou des cerfs-volants et de faire avancer des voiliers.

Il a montré que lorsque les filets d’air sont déviés par une voile, ils vont plus vite le long de la face extérieure (extrados) que de la face intérieure (intrados) de la voile, ce qui crée une forte dépression derrière la voile et une surpression sur l’intrados. Il en résulte une force importante, dite force de Bernouilli, ou Force Vélique, qui s’applique selon une direction perpendiculaire à la corde de l’arc formé par le creux de la voile.

L’intensité de cette force est proportionnelle à la surface de la voilure, au carré de la vitesse du vent, et à un facteur qui dépend de la forme de la voile, ainsi qu’à la densité de l’air.

 

Le théorème de Bernoulli ne peut exister, en voile, que s’il s’accompagne auparavant de l’effet Venturi, car l’effet Venturi entraîne une accélération du fluide donc l’effet Bernoulli. 

Le théorème de Bernoulli explique que :

 

  -Sur l’intrados d’une surface (voile), il y a une augmentation de la pression due à un ralentissement du fluide     (effet Venturi). Il se crée une surpression sur l’intrados ; 

   -Sur l’extrados d’une surface (voile), il y a une diminution de la pression due à une accélération du fluide sur le plan. Il se crée une dépression sur l’extrados.

 

Un énoncéi en physique dit que «la nature n’aime pas le vide». Ainsi, la surpression va combler la dépression, il y a création de la force aérodynamique. C’est grâce à cette dernière que le bateau avance. 

Pour la création de la force hydrodynamique FH, on retrouve les mêmes conditions :

  -Un angle d’incidence entre le fluide (eau) et le plan (dérive) ;

  -Un effet Venturi ;

  -Un effet Bernoulli.

La surpression vient combler la dépression, il y a création de la force aérodynamique FA.

-Cette force peut se décomposer en deux forces selon deux directions intéressantes : la portance (vers le haut) et la traînée (vers l’arrière) pour une aile d’avion ou la propulsion (vers l’avant du bateau) et la dérive (vers le coté) pour une voile de bateau.

Selon le principe de Bernouilli, la voile fonctionne en « régime laminaire », lorsqu‘elle attaque les filets d’air sous un angle d’incidence faible, et lorsque la vitesse du vent n’est pas trop grande. Si l’angle d’incidence devient trop grand ou si le vent est trop fort, les filets d’air le long de l’extrados ne suivent plus la courbure de la voile, et décrochent pour former des tourbillons qui suppriment totalement la dépression derrière la voile. Il ne reste plus que la surpression sur l’intrados de la voile, et la force vélique diminue donc beaucoup. La voile fonctionne alors en « régime turbulent » et devient très inefficace.

 

La dérive se comporte dans l’eau en mouvement comme la voile dans l’air en mouvement. Sans vitesse, ou sans plan de dérive, le vent crée une force qui fait dériver le bateau qui marche alors en crabe. Dès que le bateau avance, l’eau attaque la dérive ou la quille avec une incidence et crée une force « de Bernouilli » qui tire la coque au vent (en créant aussi un couple qui fait gîter le bateau !), à condition d’un écoulement laminaire de l’eau le long de la dérive.

 

Le safran se comporte comme un plan de dérive orientable. Petits angles de barre égale grande force de Bernouilli latérale, donc grand effet directif. Grand angle de barre égale effet directif quasi nul. Fonctionnement en régime turbulent (voir les tourbillons derrière le safran ! !) avec effet de frein maximum.