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L'origine
de l'énergie propulsive d'un voilier est la
transformation par les voiles de l'énergie cinétique du
vent. Cette transformation se déroule selon le même principe
que pour une aile d'avion.
Contrairement à ce que l'on croit souvent, une aile n'est pas portée par
l'air mais aspirée. On prendra comme exemple une plaque plane
(figure 1) qui schématise l'aile. Elle est placée en
incidence, dans un écoulement uniforme provenant de la
gauche.
Figure 1
L'écoulement
amont va se diviser en deux parties: La première partie va
passer par le haut, par l'extrados (Zone B) et la
second va passer par le bas, par l'intrados (Zone A).
L'air
contournant la plaque par la zone B a plus de chemin à
parcourir que l'air contournant par la zone A.
L'équation
du physicien Bernoulli précise ceci à certains facteurs près :
Vitesse X
Pression = constante
L'air
en B ayant accéléré se trouve donc dans un environnement à
moindre pression, on parle de Dépression.
L'air
en A ayant ralenti se trouve dans un environnement à plus
forte pression, on parle de surpression.
C'est
précisément la
différence entre les pressions de ces 2 faces de la plaque
qui va créer cette force résultante que l'on peut appeler
Force aérodynamique.
On a démontré que
-
la dépression sur l'extrados représente 2/3
de la force aérodynamique.
-
La surpression sur l'intrados représente 1/3
de la force aérodynamique
Cette
force aérodynamique est proportionnelle au carré de la
vitesse, elle peut se décomposer sur 2 axes perpendiculaires
1
axe dans le sens du fluide sur lequel s'exprime la traînée.
Elle est proportionnelle à un coefficient de traînée nommé Cx.
1
axe perpendiculaire au fluide sur lequel s'exprime la
portance. Elle est proportionnelle à un coefficient de portance nommé
Cz.
La force aérodynamique
s'exerce sur le centre géométrique de l'ensemble des voiles.
En général, la force qu'exerce un courant fluide est
sensiblement perpendiculaire à ce plan, quelque soit l'angle
d'incidence du courant sur ce plan. Cette façon de dessiner
n'est qu'une matérialisation visuelle de la force aérodynamique.
En effet, la force s'exerce, en réalité, partout sur la
voile.
Si
le fluide était parfait (c'est-à-dire non-visqueux et
incompressible), la seule force
créée par le positionnement d'un profil dans un écoulement
est une force de portance perpendiculaire à la vitesse amont.
Mais l'air n'est pas un fluide parfait. Il est
visqueux, ce qui engendre un frottement le long du
profil de l'aile. La partie du fluide qui est
infiniment proche de la paroi d'un profil possède donc une
vitesse nulle. Il en résulte un accroissement progressif de
la vitesse au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la
paroi. La zone dans laquelle l'écoulement est freiné de par
sa proximité avec la paroi est appelée couche limite. Il
s'agit de la zone dans laquelle la vitesse de l'écoulement
est comprise entre 0 et 80% de la vitesseCette
couche limite est également dépendante de l'état de surface
du profil.
C'est la force qui s'oppose au mouvement de
l'aile, elle a deux origines. D'une part, elle est due au
caractère visqueux de l'air, d'autre part, c'est la
composante horizontale des forces de pression qui s'exercent
perpendiculairement au profil.
Le rapport entre la
portance (ce que l'on veut) et la traînée (ce que l'on
voudrait éviter) définit la finesse d'un profil. Pour
un avion par exemple, une finesse importante se traduira par
une économie de carburant. Pour l'application qui nous
concerne ici, une grande finesse permettra au bateau
d'atteindre des vitesses plus élevés en fournissant le même
travail. Tout comme la portance, la traînée est
proportionnelle au carré de la vitesse. De plus, on peut
considérer en première approximation que la traînée varie
au carré de l'angle d'incidence. De même que pour la
portance, on définit un coefficient Cx.
Lorsqu'un profil est en
forte incidence, on conçoit aisément que le fluide aura plus
de mal à suivre le contour de celui-ci. Si l'on place une
plaque perpendiculairement à l'écoulement, on constate
effectivement qu'il n'y a plus d'écoulement laminaire sur les deux
faces. Lorsque l'écoulement n'est plus capable de suivre le
profil, il décolle. Une poche de fluide "mort" (dont la vitesse est très faible par rapport
à la vitesse de l'écoulement amont) se crée entre le
profil et l'écoulement proprement dit. Lorsque ce phénomène
apparaît, on dit que l'aile décroche car ses performances aérodynamiques
diminuent très fortement. Ainsi, pour de fortes incidences,
la portance Cz diminue et la traînée Cx augmente.
De plus, le fluide en bout
d'aile a une tendance à s'écouler de l'intrados vers l'extrados. Il en résulte un écoulement latéral qui génère
des tourbillons diminuant la performance de l'aile. C'est la traînée
induite.
La
résultante de ces pressions constitue la force aérodynamique soit Fa,
appliquée en un point appelé "foyer
aérodynamique". Fa peut être décomposée selon une composante dans la direction
du vent apparent Fx , qui est la traînée de la voilure, et
 une
composante dans la direction orthogonale au vent apparent Fz ,
qui est la portance de la voilure.
Sous
l'influence du vent, le voilier se déplace à une vitesse
donnée Vs. Il ressent alors un vent relatif en sens opposé Vs
. Le triangle des vitesses montre que le vent apparent Va
est la somme du vent réel Vt
et du vent relatif Vs. Cela signifie qu'à vent réel Vt
donné, et à angle de remontée au vent vrai g donné, la vitesse du
voilier Vs
dépend du seul angle b,
entre le vent apparent Va
et la route du navire.
La
finesse de la voilure Fz Fx = cotg ea traduit le rapport de la composante utile, qui est la portance Fz , à la composante nuisible, qui est la traînée Fx . La projection de la force aérodynamique totale Fa
sur la direction d'avancement du navire, c'est-à-dire la
force Fr
propulsive disponible, dépend à la fois de la valeur de Fa
et de son orientation, fonction elle-même de la finesse.
Pour augmenter
cette force propulsive Fr , on cherche soit à augmenter la force aérodynamique totale Fa , soit à améliorer la finesse. Il n'est malheureusement
pas possible d'obtenir simultanément une force aérodynamique
et une finesse toutes deux maximales. Compte tenu de
l'orientation des forces, on cherche à augmenter la finesse
aux allures proches du vent, et, au contraire, à accroître Fa
aux allures portantes. Sur les voiliers modernes, on obtient
une finesse maximale de 4 à 5 et un coefficient de portance
maximale de 1,4 à 1,6.
Tout engin
flottant à propulsion vélique, que ce soit un navire à carène
profonde ou un voilier léger glissant près de la surface,
transfère une partie de l'énergie fournie par le vent à
la masse d'eau qui l'entoure.
La carène développe
ainsi des efforts hydrodynamiques , dont la résultante et le
moment sont égaux et opposés à ceux des forces de gravité
et des efforts aérodynamiques. En projection, on obtient une
résistance à l'avancement R opposée à la composante
propulsive Fr
et une résistance latérale Fs
opposée à la composante de gîte et dérive Fh , et enfin un couple de redressement opposé au couple
inclinant. La carène se comporte donc comme un hydrofoil dont
l'efficacité sera d'autant plus grande que le rapport Fs
R = cot eh , c'est-à-dire la finesse hydrodynamique de la carène,
sera plus grande. L'écoulement autour de la carène et les
variations concomitantes de pression (qui sont à l'origine
des forces hydrodynamiques) sont déjà complexes pour la carène
d'un navire de forme symétrique se déplaçant avec une dérive
et une gîte nulles ; elles deviennent encore plus complexes
pour un voilier dont la carène gîtée n'a plus une forme
symétrique et avance " en crabe " avec une dérive
non nulle.
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