Aérodynamique : écoulement de l'air sur les voiles

Ce chapitre étudie la manière dont les écoulements de l'air sur les voiles provoquent une force propulsive. Il existe plusieurs théories expliquant ce phénomène. Nous avons choisi ici de présenter la plus simple, dont on sait qu'elle n'est pas exacte. Nous l'avons choisie parce qu'elle est facile à comprendre et que, dans l'optique de pratiquer la voile et non de concevoir le bateau de demain, cette explication théorique est très opérationnelle et fonctionne bien. Les détails physiques n'ayant pas d'incidence pratique sur le réglage des voiles sont volontairement ignorés.

Immersion d'un profil dans un fluide en mouvement : l'air s'écoule de gauche à droite, les lignes représentent le trajet de « particules ».

A gauche : le profil est trop abrupt, l'air tourbillonne autour. On dit que l'écoulement est turbulent.

A droite : le profil est tel que l'air se laisse dévier, seules des turbulences minimes apparaissent en traîne. L'écoulement est dit laminaire. L'air se laisse dévier, du moment que la déviation n'est pas trop importante.

L'air s'écoulant sur la voile subit une déviation :

• il est ralenti et applique donc une compression sur la face interne ou intrados
• il est accéléré et applique donc une dépression sur la face externe ou extrados

De ces deux variations de pression résulte une poussée vélique, constituée à raison de 1/3 par la pression exercée sur l'intrados, et 2/3 par l'aspiration exercée sur l'intrados. Cette force s'exerce au niveau du premier tiers de la voile, en direction du rayon de courbure.

1. Voile bien réglée : l'aire ne décroche sur aucune des deux faces
2. Voile trop bordée : l'écoulement reste accroché sur l'intrados, mais décroche sur l'extrados. L'essentiel de la propulsion est perdu.
3. Voile trop choquée : l'écoulement reste accroché sur l'extrados mais décroche sur l'intrados (ce ne serait pas le cas sur une voile plate : les turbulences sont liées au creux de la voile)

Les penons sont des bouts de laine fixés sur les deux faces de la voile au niveau du premier tiers de la voile. Ils suivent l'écoulement de l'air.

• voile bien réglée : les penons sont bien horizontaux sur les deux faces
• voile trop bordée : le penon de l'extrados faseille. Il faut choquer la voile ou pousser la barre
• voile trop choquée : le penon de l'intrados faseille. Il faut border la voile ou tirer la barre

En règle générale, il faut ramener la barre ou la voile du côté du penon qui faseille.

Sur une GV seule, des turbulences apparaissent inévitablement en traîne de l'extrados (1). Le foc crée un étranglement du couloir d'air abordant l'extrados, et génère ainsi une accélération tout en déviant l'air (2). Ceci a trois effets :

• les turbulences sont reculées après la chute de la GV
• faisant suite à l'accélération, le vide et donc l'aspiration sont supérieurs
• les voiles d'avant en général font refuser le vent que perçoivent les voiles d'arrière. Avec un spi asymétrique par exemple, on peut prétendre avoir une voile assez bordée au largue, avec un écoulement non décroché.

Cependant, tout bon équipier doit avoir en mémoire les effets néfastes d'un foc trop bordé (3). L'extrados est entièrement déventé et la GV perd toute sa puissance. Mieux vaut ne pas avoir de foc qu'un foc trop bordé. C'est pourtant une habitude fréquente chez les équipiers (il est moins fatigant de border le foc à plat en sortie de manoeuvre et de ne plus y toucher... mais l'effet est délétère).

Les schémas ci-dessus représentent des catamarans sur l'eau vus de dessous. Les parties blanches sont émergées, les parties bleues sont immergées.

La plupart des coques de catamaran sont symétriques, et sont dotées soit de plans anti-dérive intégrés (généralement les catamarans de loisir : KL, HC Twixxy, HC Pacific...) soit de dérives sabres (généralement les catamarans de course : HC Tiger, HC Fox) ou de dérives pivotantes (généralement les catamarans de raid : HC 21, HC 17, HC Pearl).

Cependant, certaines coques présentent une asymétrie (HC 14, HC 16, Prindle, etc.) : le versant interne est plus bombé que le versant externe. Il résulte de cette asymétrie un portance d'axe transversal orientée vers le milieu. Ainsi, lorsque les deux coques sont également immergées, la coque bâbord génère une portance orientée vers tribord, et inversement. Ces portances s'annulent. Sur un catamaran qui gîte, la coque sous le vent est plus immergée que la coque au vent, il en résulte une portance globalement orientée vers le côté au vent, le catamaran dérivera donc moins. C'est néanmoins un pis-aller car les deux modèles dont il est question n'ont pas de dérive, si bien qu'ils dérivent énormément au près, malgré l'asymétrie des coques. Leur trajectoire au près est donc particulièrement mauvaise.

Ce phénomène prêche en faveur du maintient de la coque au vent à fleur d'eau au près sur les modèles dont il est ici question. Il ne faut cependant pas oublier qu'un bateau bien équilibré présente une traînée moindre.