Maman les p'tits bateaux qui vont sur l'eau ....

Comment expliquer qu'un voilier avance contre le vent, quelques bases ....

Nous allons essayer d'expliquer le plus simplement possible comment un voilier peut faire route face au vent ou plutôt vers le vent, et cela en restant au ras du ...goëmon ( rien de personnel Arnaud...), sans écrire une équation, cela fait fuire le poisson .

Nous donnerons aussi quelques notions sur les allures, les variations du vent et les outils de navigation proposés par Virtual Skipper 3.

Pour ceux qui voudront aller plus loin, beaucoup de littérature existe sur le sujet, vous en trouverez à la rubrique bibliographie, en fin d'article.

1) Une pression Chef !

Un voilier évolue dans deux milieux : l'air et l'eau. Ces deux "milieux" sont des fluides . Dans le cas d'un engin évoluant sur l'eau, ces fluides se comportent comme des milieux incompressibles. Lorqu'un fluide est en mouvement, la vitesse des "particules" (petits paquets d'air ou d'eau), varie pour former des rotations sous la forme de tourbillons et de déformations.

Sans rentrer dans les détails, la mécanique des fluides partage les écoulements en deux régimes : laminaire et turbulent . Un écoulement est dit laminaire si les filets fluides sont bien ordonnés, s'ils ne se mélangent pas ( fumée de cigarette à la proximité de celle-ci).

Voyons d'abord ce qu'il se passe dans l'air, et l'action des voiles. Prenons deux exemples simples :

- Une feuille de papier. Mettez là face à vous , sous votre lèvre inférieure : elle va pendre. Maintenant soufflez sur le dos de cette feuille. Cette dernière va s'élever.

- Prenons maintenant l'exemple d'un bonne vieille 2 CV ( deudeuche) lancée à vive allure ( 60 km/h...) sur une route de campagne. Et bien la capote va se déformer et se bomber vers l'extérieur. On notera que la vitesse de l'air est nulle à l'intérieur et plus élevée ( même si cela ne va pas très vite, une deuche) à l'exterieur.

Donc, à chaque fois qu'en un point de la surface d'un corps immergé ( une voile dans l'air par exemple), la vitesse du flux se trouve accélérée par rapport à l'écoulement général, nous avons une augmentation de la pression dynamique qui se fait à l'encontre de la pression locale qui s'exerce sur la paroi. A l'inverse, en cas de ralentissement relatif, nous observons une montée des pressions sur la paroi. L'objet immergé est attiré vers les zones de basses pressions et repoussé par les zones de haute pression.

Dans l'exemple de la feuille, le souffle sur le dessus de la feuille crée une accélération sur ce coté de la feuille ou la pression est devenue inférieure par rapport au dessous.

Même chose pour la capote de la 2cv, la vitesse de l'écoulement d'air est supérieur sur le dessus, donc la pression extérieure moindre qu'à l'intérieur du véhicule.

C'est le théorème de Bernouilli : pression et vitesse évoluent inversement.

Nous évoquerons l'évolution des filets d'air autour de la voile et des notions tels que décollement, circulation dans un prochain article, et nous verrons l'influence du réglage des voiles sous cet angle, ainsi que les intercations entre voiles.

2) Les forces

Petite expérience : On va prendre maintenant une carte de visite que l'on va plier parallèlement à son petit côté, vers le tiers de sa longueur. Posez la sur une table et soufflez à l'intérieur de l'angle à la base du grand pan lévé.

a) soufflez perpendiculairement au pan de la carte. Si l'angle est suffisament fermé ( incliné vers vous), la carte va glisser à la surface.

b) soufflez maintenant avec un angle de 45° par rapport au pan. La carte ne part plus dans la direction du souffle, mais dans une direction qui combine l'axe de la trainée et celui de la perpendiculaire du pan levé de la carte.

La force qui s'exerce sur un plan est dite "normale" (= perpendiculaire au plan) à ce plan quel que soit l'angle d'incidence de l'écoulement général sur ce plan.

Voilà ci-dessous une manière de décomposer la force aérodynamique (c'est exactement la même chose pour un profil d'aile d'avion): en deux forces :

la portance et la traînée.

Voyons maintenant ce qui va faire avancer le voilier.

Prenez l'exemple d'un parapluie, tenu ouvert verticalement par une journée ventée . On va alors sentir une force qui va faire s'élever le parapluie. En fait , le dessus bombé du parapluie crée une accéleration des filets d'air à son sommet, donc une dépression. Sous le parapluie règne alors une zone de supression relative, et il apparait une force de succion qui va avoir tendance à élever le parapluie.

C'est exactement le même principe qu'utilise le véliplanchiste pour porter sa voile sans effort en la maintenant au dessus de la tête, horizontalement.

L'intérieur de la surface concave est appelé intrados, l'extérieur : la face convexe extrados .

En chaque point de la voile, perpendiculairement à sa paroi, s'exercent des forces de hautes pressions relatives au vent (intrados) et de basses pressions relatives sous le vent (extrados). La voile sera sollicitée des zones de hautes pressions vers les zones de basse pression.

L'ensemble de ces forces aérodynamiques forme la force vélique .

Comme cette force s'exerce grossièrement suivant une perpendiculaire au plan formé par la voile, plus la voile est "ouverte", débordée de l'axe du bateau, et plus la force vélique agit dans le sens de la marche.

Toute force peut se décomposer en deux composantes en formant un parallélogramme ( rectangle). Nous avons dèjà vu plus haut que la force aérodynamique pouvait se décomposer en portance et traînée. Mais une autre manière est de la décomposer en force propulsive, dans l'axe du bateau, et en force de dérive, perpendiculaire à cet axe.

Sauf au plein vent arrière, la force vélique n'est pas dans l'axe de marche du bateau. Pour éviter que le bateau ne parte en crabe, il nous faut donc un plan antidérive. Celui ci est apportée par la quille ( ou dérives ) et le(s) safran(s). Il suffit de très peu d'angle pour que , sous la coque, s'exerce de la même manière que pour la voile une portance. En effet le courant d'eau va attaquer la face du profil avec un certain angle créant des surpressions, alors que de l'autre coté se trouveront des zones de basses pressions. La force hydrodynamique ou force antidérive va développer une portance qui va garder le bateau sur sa route, compensant la composante de dérive de la force vélique.

De part et d'autre de la flottaison, la force vélique et la force antidérive forment des couples qui détermineront les grands équilibres d'un voilier.

3) les allures

En fonction de l'angle que fait le voilier avec l'axe du vent on peut déterminer des secteurs en les nommant.

Face au vent on se trouve vent debout, plus on va s'éloigner de l'axe du vent plus on va abattre en passant du prés, au bon plein, au petit largue qui forment les allures de près puis au travers ,au largue , grand largue et vent arriére qui forment les allures de portant ( on laisse "porter"). Ensuite en se rapprochant de l'axe du vent, et toujours dans le même sens nous allons lofer, et retrouver nos allures de près.

Les allures de près permettent de remonter au vent ( de la bouée sous le vent à la bouée au vent) et les allures de portant permettent de descendre dans le lit du vent ( de la bouée au vent à la bouée sous le vent).

Aux allure de près, nous voyons que chaque bateau a un angle de remontée au vent minimal. Si on le dépasse, en lofant trop, le bateau perd de la vitesse et ne remonte plus au vent, ses voiles vont de mettre à faseyer. Afin de remonter, la bateau va devoir zigzaguer, en recevant le vent alternativement par le coté droit , il est alors tribord amure, puis par le coté gauche, il est alors babord amure. Le fait de passer d'un amure à l'autre en passant par la position face au vent ( vent debout) se nomme virer de bord . Le fait de devoir virer de bord plusieurs fois afcin d'atteindre un point placé au vent s'appelle louvoyer.

4) Vent réel, vent apparent

Cette définition des allures ne rend pas réellement compte de la réalité. En effet, sur un bateau, on s'aperçoit que les penons ( morceaux de laine ou bandes de tissu ou autres fixés sur la voile, les haubans, pantoire de foc....) n'indiquent pas la direction du vent réel, celui que l'on voit à terre, mais la direction du vent apparent. C'est par rapport à ce vent apparent que sont réglées les voiles.

Le vent apparent est la résultante en force et en direction du vent réel et du vent de la vitesse.

Prenons un après midi d'été, sans vent, faites un tour sur un bateau à moteur ( les trucs qui puent et qui vous réveillent durant la sieste). Vous sentirez sur vos joues un "vent", c'est le vent de la vitesse.

Sur un bateau à voile ce vent de la vitesse va s'ajouter au vent réel. Donc plus un voilier va vite, plus son vent apparent augmente et plus l'axe du vent va se rapprocher de l'axe du bateau. En conséquence, plus on va vite ,plus on devra border les voiles. Cela est vrai par exemple sur des catamarans où les voiles seront bordés, par vent soutenu, comme au près jusqu'à des allures de largue.

Dans Virtual Skipper 3 , on retrouve ces données dans les instruments de bord :

TWS : True Wind Speed : vitesse du vent réel

TWA : True Wind Angle : angle du vent réel

AWS : Apparent Wind Speed : vitesse du vent apparent

AWA : Apparent Wind Angle : angle du vent apparent

On retrouve le vent apparent et le vent réel sur la boussole avec deux flèches de couleurs différentes. On pourra voir l'évolution des ces deux vents, surtout avec l'Open 60 aux allures de près, qui avec leur vitesse élévée vont générer un important vent vitesse, en conséquence leur vent apparent sera plus serré que le vent réel. Il ira " plus vite que le vent" !!

5) Polaires , VMG

Les polaires de vitesse sont des diagrammes qui permettent d'anlyser les performances d'un voilier en fonction de la direction du vent et de la force du vent réel.

Pour chaque voile on va mesurer : la vitesse du vent, la vitesse du bateau, et l'angle du vent réel.

Ces polaires sont très utiles pour la bonne connaissance de son bateau. Des programmes (VPP : Velocity Prediction Program), calculés par les architectes peuvent faciliter l'établissement de ces courbes , qui doivent néanmoins être affinées dans un contexte réel.

La polaire permet de sélectionner le meilleur compromis cap-vitesse. Si le voilier sert trop le vent, il va trop lentement, si il est plus abattu, il ira plus vite mais perdra en cap. On définit alors le VMG : Velocity Make Good: qui pourrait se définir comme le meilleur gain au vent ou le meilleur compromis cap-vitesse, pour une force de vent donnée .

Le VMG est la projection de la vitesse du bateau sur l'axe du vent

Utilisation du VMG : cette valeur semble un bon indicateur pour le barreur pour conduire son bateau au près. Mais son inconvénient est qu'il ne tient pas compte de l'inertie du voilier. Le VMG est un indicateur statique, alors que l'on veut l'appliquer à un problème dynamique.

Une petite explication : barrer au meilleur VMG va revenir à ça : vous êtes sur une route avec une vitesse V1 et un VMG1, vous lofez pour voir ce que cela donne, la vitesse diminue un peu, mais le VMG lui augmente, nickel... vous continuez à lofer, la vitesse tombe encore un peu à V2 mais le VMG2 lui augmente. En fait , à ce moment, le bateau ayant de l'inertie va accepter de monter au vent en ralentissant peu, donc de faire croite encore le VMG.

Bon, ça a l'air d'aller, on continue à lofer. Patatras, après quelques secondes le VMG chute brusquement, la vitesse étant devenue si faible que la perte de vitesse n'est plus compensée par l'angle de remontée au vent.

On veur réparer ça et on abat : l'angle de remontée au vent étant grand et la vitesse faible c'est la cata, le VMG est ridiculement bas. Il va falloir abattre encore plus pour relancer le bateau et au final, quelques degrés au vent auront été perdus... et quelques mètres par rapport aux autre bateaux en course :-(

Le VMG est utile quand il est utilisé sur une bonne échelle de temps : 3 à 5 minutes. Sur un parcours cotier par exemple, lors d'un remontée au vent, par exemple. On prend un VMG, on change le réglage des voiles, on abat un peu et on regarde le gain éventuel après quelques minutes.

Pour barrer, on va se servir d'une autre donnée : la vitesse cible, qui est la vitesse qui donne le meilleur VMG ( au près comme au vent arrière), pour une vitesse de vent réel donnée. Sur une polaire, elle correspond au point haut de la courbe. Connue avec précision, elle permet de savoir qu'à réglages de voile corrects, si vous allez trop vite c'est que vous êtes trop abattu, et trop lentement, vous étes trop lofé.

Une autre utilisation des polaires est de déterminer les secteurs limites. Ceux ci apparaissent comme des segments rentrants sur la courbe. Dans ces secteurs il vaut mieux tirer des bords que d'aller tout droit. On aura de même les secteurs limites propres à chaque voile.

6) Le plan d'eau, les variations du vent

Rapprochons nous maintenant de notre terrain de jeu : le plan d'eau. Nous verrons quelques définitions qui seront importantes pour un prochain article sur les tactiques de course, ainsi que les variations du vent.

Le plan d'eau : soit une ligne de départ d'un parcours banane classique au vent-sous le vent . Un observateur se met face au vent. A sa gauche sera le coté gauche du plan d'eau, à sa droite le coté droit. Pas de problème pour le premier bord de près. Ou cela se complique c'est au portant, le coté gauche reste le coté gauche par rapport à un obervateur face au vent ! ( convention de langage)

-L'évolution de la direction du vent : on utilisera ici, et par la suite la convention suivante et assez couramment employée :on dira que le vent tourne à gauche lorsqu'un observateur, placé face au vent, doit effectuer un mouvement de rotation vers la gauche pour rester face au vent.

a l'inverse , le vent tourne à droite lorsque l'observateur, face au vent doit effectuer un mouvement vers la droite pour rester face au vent. En anglais on dit " veering", et par abus de langage que le vent "veere".

Par nature, le vent est instable et subit des variations, en force et en direction. On peut classer ces variations en trois types :

- un vent qui bascule :

une bascule persistante correspond à un vent qui tourne toujours dans la même direction tout au long du bord. Par exemple un vent de Sud qui tourne au Sud Ouest.

- un vent qui oscille :

lorsqu'il évolue de part et d'autre d'une valeur moyenne. Par exemple un vent de Nord (0°) va passer successivement à 10°, 0°, 350°, 0° puis de nouveau 10°.

- un vent qui bascule en oscillant:

la tendance générale est une rotation du vent suivent une direction toujours dans le même sens, mais cette rotation se fait avec des retours ponctuels à la direction antérieure

Voyons maintenant par rapport au bateau, les deux types de variations :

le refus : lorsque le vent se rapproche de l'axe du bateau par l'avant.

l'adonnante : le vent s'éloigne de l'axe du bateau, par l'arrière.

7) Une histoire de "courants" d'air.

Nous allons maintenant nous interesser à la circulation des filets d'air autour de la voile, et essayer de voir quelle est l'influence du réglage de cette dernière.

Nous nous limiterons aux réglages que permet VSK3, qui sont très limités comparés à toutes les "manettes" disponibles sur un vrai voilier.

Tout d'abord, un passage un peu barbant, mais obligé pour ne pas perdre pied par la suite, des petites définitions qui s'appuient sur le shéma ci-dessous :

La flêche maximale et son emplacement (a) va déterminer le "creux" de la voile.

Pour une voile le bord d'attaque est le guindant et le bord de fuite la chute.

L'angle d'incidence est l'angle entre la corde et le vent apparent.

L'angle d'ouverture est l'angle entre la corde et l'axe du bateau.

Attention à distinguer incidence et ouverture.

Nous avons vu précedemment que la traînée est favorable aux allures portantes mais défavorable aux allures de près. Examinons cela de plus près ( sans jeu de mot):

1) La bateau est vent de travers, écoutes choquées en grand : les voiles faseyent.

Il y a uniquement la force de traînée, le bateau va dériver doucement par son travers ( allure préférée de Madame sur un trampoline au mois d'Aout, par F2).

Comme il n'y a pas de mouvement du bateau vers l'avant, les plans anti dérive ( coque, quille - dérive(s), safran(s) ) travaillent mal.

2) On borde un peu l'écoute, ce qui a pour conséquence de ramener la voile à l'intérieur du bateau ( on diminue l'angle corde de la voile- axe du bateau, ou l'ouverture). Un angle se forme entre les filets d'air et la voile. Ces filets d'air viennent "buter" sur cette surface au vent (intrados), d'où ralentissement des molécules d'air et "bouchon". De ce fait, certains filets d'air vont s'échapper de l'autre côté (extrados). Ces filets d'air viennent s'ajouter à ceux de l'écoulement général. Donc le débit grossit sur l'extrados, ce qui provoque l'accélération du flux (effet Venturi).

Rappelons-nous Bernouilli, dont nous avons parlé dans la première partie :

• Sur l'intrados : on a formation d'un "bouchon", le flux est ralenti, dont on a augmentation de la pression.
• Sur l'extrados : au contraire on a accélération, d'où baisse de la pression.

Entre les deux faces de la voile apparaît donc un déséquilibre de pression et la voile (le tissu) va prendre forme. Une fois la voile en forme, on a une région sous le vent (extrados) où la pression relative est plus basse (où a lieu l'accélération des filets d'air). Cette région va "attirer" les molécules d'air arrivant légèrement au vent et en amont du bord d'attaque. Comme dans le cas d'une chéminée, le "tirage" s'établit, on a amorcé la pompe, la circulation s'est établie .

De plus en plus de molécules d'air qui normalement seraient passées au vent, côté intrados, vont passer sous le vent, attirées par cette dépression. Donc on a plus de débit, plus de vitesse et.... moins de pression.

Côté intrados, c'est le phénonème inverse, on a moins de débit, moins de vitesse et donc plus de pression.

Maintenant que le bateau a pris de la vitesse, dérive(s) et safran(s) vont jouer leur rôle, et le bateau remonte correctement au vent.

3) Pour gagner de la vitesse, bordons l'écoute. L'angle d'incidence s'accroît, la voile présente un obstacle plus conséquent, donc plus d emolécules d'air vont venir buter au vent et s'échapper sous le vent, comme expliqué plus haut.

On a donc accroissement du phénomène de déséquilibre des pressions intrados-extrados et augmentation de la force vélique.

4) Continuons à border. Là, on observe que le bateau ralentit. :-(

En fait, tout va bien tant que les filets d'air, entraînés par leur vitesse, suivent sur l'extrados le profil de la voile. A partir d'un moment, le courant va "décoller" de la paroi. Si on borde trop, on augmente la courbure du profil par rapport à l'écoulement général, ce qui va favoriser ce décollement. Le décollement apparaît au bord de fuite et plus on borde, plus ce décollement va avancer vers la bors d'attaque. Juste après ce décollement se trouve une zone où des tourbillons naissent, où l'air ne circule plus aussi vite d'où augmentation de la pression.

Plus cette zone "d'air mort" va augmenter et plus l'écart de pression intrados-extrados va diminuer. Or nous savons que c'est l'origine de la force vélique.Le bateau va perdre de la vitesse.

Entre l'angle où la voile prend forme et celui où le décollement apparaît sur le bord de fuite, l'écoulement est sain sur l'extrados. On parle de finesse (plage fine, navigation en finesse).

On a vu qu'une partie des filets d'air du courant général côté intrados est attirée à proximité du bord d'attaque vers l'extrados . Les filets d'air doivent donc contourner le bord d'attaque, ce qui former un petit bulbe "d'air mort", juste avant que les filets d'air "recollent" à l'extrados.

Si cette zone de turbulence reste limitée il n'y a pas de problème. Mais en bordant plus la voile, c'est à dire en augmentant l'angle d'incidence, ce bulbe d'air mort va prendre de l'importance, le recollement des filets d'air recule. On continue à border, et là arrive le moment où la zone de décollement du bord de fuite rejoint cette zone d'air mort . La chute de portance est alors brutale, le bateau ralentit de l'arrêt instantané de la bonne circulation du flux d'air sur la surface de l'extrados . Ce phénomène existe aussi sur un profil d'aile d'avion - avec des conséquences parfois catastrophiques - c'est le décrochage.

Au début du 20ième siècle, Kutta a établi ceci :" Un profil d'aile est correctement calé (sans décollement), lorsque les flux d'extrados et intrados arrivent au bord de fuite avec des vitesses égales".

En d'autres termes, si il y a égalité de vitesse on a égalité de pression; si cette égalité n'est plus respectée, l'air va passer du côté où l'écoulement est lent à celui où il est le plus rapide ( des hautes pressions vers les basses pressions), donc va passer côé extrados où il perturbe l'écoulement continu, on a formation de tourbillons et décollement.

Cet équilibre parfait ne peut être que théorique. Il existe toujours d'infimes variations de vitesse à la sortie des deux faces d'une voile, d'où une sollicitaion alternée de la chute, très limitée, mais très rapide: la chute "vrombit".Ce phénomène est d'autant plus visible que le matériau de la voile est souple, sans nerf de chute.

De manière à suivre la qualité de l'écoulement on place sur la voile des penons côté intrados et extrados et des faveurs au niveau du bord de fuite qui sont des morceaux de tissu ou de fil coloré afin d'estimer les décollements et perturbations du flux d'air.

8) La vie en couple.

On a vu qu'une voile dévit les filets d'air. Plus elle modifie l'écoulement, plus sa zone d'influence est grande. En approchant deux voiles l'un de l'autre, arrive un moment où les espaces d'influence interfèrent . La zone de la voile d'avant (foc génois...) qui se trouve en arrière du mât se nomme le recouvrement.

Que se passe-t-il dans cette zone-couloir entre le génois et la grand voile ? La voile d'avant favorise-t-elle la grand voile ?

Contrairement à une idée répandue, il y a ralentissement du flux d'air dans le couloir entre génois et grand voile. Nous allons voir pourquoi.

En effet, l'analogie qui pourrait sembler attirante avec un effet d'entonnoir ( Venturi) et un liquide n'est ici pas valabable.

Contrairement à un entonnoir pour du liquide, l'air est pas canalisé entre les deux voiles, il ne s'agit pas d'un "passage obligé". De part la viscosité de l'air, au voisinage des parois, il y a ralentissement et "bouchon". Donc les molécules d'air vont avoir tendance à aller là où l'écoulement est le plus dynamique. Une importante partie aura donc tendance à passer côté extrados. Il y a donc accélération sur l'extrados et ralentissement sur l'intrados, donc différence de pression, amélioration de la succion, donc les performances de la voile d'avant sont améliorées par la présence de la grand voile.

Au niveau de la grand voile, on a moins de basse pression sous le vent et moins de hautes pressions au vent que sans voile d'avant , la grand voile est pour cela pénalisée par la présence de la voile d'avant.

Septiques ? Essayez ceci, prenez deux feuilles de papier que vous tenez verticales, écartées de quelques centimètres. Soufflez entre les deux feuilles. Que se passe-t-il ? La vitesse des filets d'air est supérieure entre les deux feuilles, car presque nulle à l'extérieur ( on souffle ENTRE les deux feuilles), donc la pression extérieure est supérieure à la pression entre les deux feuilles, les deux feuilles.... se rapprochent.

Or si le flux d'air était accéléré entre voile d'avant et grand voile, le génois viendrait de coller à la grand voile, ce qui n'est pas le cas.

Le génois est souvent considéré comme le moteur du voilier, surtout dans le cas d'un grément de tête (l'étai du génois arrive en tête de mât = le génois va jusqu'en haut du mât). La grand voile est davantage liée au contôle du cap, et à la capacité du bateau à remonter au vent . Bien sûr, les deux voiles interagissent entre-elles, ce qui nuance le propos.

Le génois n'a pas de mât devant lui, qui créée turbulence et traînée. Il peut être envoyé avec un angle au vent plus large que celui attendu, en raison de l'effet adonnant qu'il subit. Ce phénomène se caratérise pas un changement de direction des filets d'air en amont d'une voile, avant qu'ils l'atteignent.

Ainsi, la poussée vélique est meilleure sur le génois que sur la grand voile. A l'inverse la grand voile subit l'effet refusant du génois : elle doit être plus bordée que si elle était envoyée seule.

LauTroMi

Bibliographie :

"Les voiles : comprendre, régler, optimiser " B. Chéret - Voiles/Gallimard FFV

"Voiles et gréements : les bons réglages de votre voilier" I. Dedekam - Voiles et Voiliers

"Le nouveau cours des Glénans" Seuil

"l"aérodynamique de la voile" M. Cury - FFV/Chiron

"Vent et régate : les stratégies" JY Bernot FFV/Chiron

"La régate : tactique et stratégies" D Ravon et C. Dumard Voiles/Gallimard FFV

Section Voile Virtuelle du Cercle de Voile d'Arcachon par Oplite - polaires pour VSK3