VOILIERS

Les allures

Le terme « allure », lorsqu'il concerne un navire ou un voilier, sert à définir l'orientation de la route suivie par le bateau par rapport à la direction du vent (fig. 2).

La stabilité

Il est permis de dire, par une formule raccourcie très expressive, que la stabilité est la force propulsive du voilier. En effet, un voilier ne peut supporter de surface de voilure, ou ne peut donc disposer de force propulsive, que dans la mesure où sa stabilité le lui permet.

La stabilité se mesure et s'exprime par le moment du couple de redressement, c'est-à-dire par le produit du poids du navire multiplié par la distance entre le vecteur poids appliqué au centre de gravité et le vecteur poussée hydrostatique d'Archimède appliqué au centre de carène, c'est-à-dire au centre géométrique du volume immergé. La courbe de redressement du voilier est la courbe des moments de redressement en fonction des différents angles de gîte (inclinaison latérale du voilier). Une même stabilité (c'est-à-dire un même couple de redressement) peut être obtenue par un grand poids et un petit bras de levier (exemple du voilier de commerce ou du yacht monocoque, fig. 3, 4 et 5) ou, au contraire, par un petit poids et un grand bras de levier (exemple du yacht multicoque, catamaran ou trimaran).

La stabilité d'un voilier est étudiée du double point de vue des performances et de la sécurité. Ainsi, une augmentation de la stabilité aux faibles angles, jusqu'à 30⁰ environ, est un facteur de vitesse aux allures proches du vent ; alors que l'augmentation de la stabilité aux grands angles, et jusqu'à 180⁰, a surtout une influence sur la sécurité dans des conditions de navigation critiques.

L'étude de la courbe de redressement d'un voilier est fondamentalement analogue à celle d'un navire quelconque. Selon le type de voilier, on obtient des courbes de redressement très différentes (fig. 6). Plusieurs paramètres les décrivent et parmi ceux-ci principalement l'angle de chavirement statique (angle pour lequel le couple des forces de gravité et d'Archimède s'inverse et devient couple de chavirement). Cet angle peut être de l'ordre de 120⁰ à 140⁰ pour les voiliers de plaisance de série à quille lestée. Pour les racers des séries internationales, il arrive que le chavirement statique soit impossible. En outre, l'aire de la partie positive de la courbe des moments de redressement traduit la résistance à l'impact d'une vague ou à celui d'une rafale de vent ; alors que l'aire de la partie négative de la courbe (partie grisée, fig. 6) caractérise la stabilité en position chavirée. Cette dernière doit être minimisée pour que l'équilibre en position chavirée soit très instable.

Les multicoques, catamarans, trimarans et praos ne sont généralement pas lestés et tirent leur stabilité de leur très grande largeur : leur courbe des moments de redressement passe par un maximum très accentué vers 10⁰-30⁰ pour s'annuler ensuite vers 70⁰-90⁰. Du fait de leurs caractéristiques, ils présentent souvent des stabilités longitudinale ou diagonale voisines de leur stabilité latérale.

Pour les monocoques, un accroissement de la gîte a pour conséquence une augmentation de la traînée. D'où l'importance de la stabilité du monocoque aux allures proches du vent où la vitesse maximale, pour un angle de remontée au vent donné, est atteinte à des angles de gîte compris entre 10⁰ et 30⁰.

Les forces aérodynamiques et hydrodynamiques

L'origine de l'énergie propulsive d'un voilier est la transformation par les voiles de l'énergie cinétique du vent. On constate expérimentalement que le fluide est accéléré sur une face de la voile et ralenti sur l'autre. D'après le théorème de Bernoulli, ces différences de vitesses induisent des différences de pressions, une surpression au vent et une dépression sous le vent. La résultante de ces pressions constitue la force aérodynamique soit F_a, appliquée en un point appelé centre d'effort de la voilure. F_a peut être décomposée selon une composante dans la direction du vent apparent F_x, qui est la traînée de la voilure, et une composante dans la direction orthogonale au vent apparent F_z, qui est la portance de la voilure.

Sous l'influence du vent, le voilier se déplace à une vitesse donnée V_s. Il ressent alors un vent relatif en sens opposé — V_s. Le triangle des vitesses montre que le vent apparent V_a est la somme du vent réel V_t et du vent relatif — V_s. Cela signifie qu'à vent réel V_t donné, et à angle de remontée au vent vrai γ donné, la vitesse du voilier V_s dépend du seul angle β, entre le vent apparent V_a et la route du navire.

La finesse de la voilure Fz/Fx = cotg ε_a traduit le rapport de la composante utile, qui est la portance F_z, à la composante nuisible, qui est la traînée F_x. La projection de la force aérodynamique totale F_a sur la direction d'avancement du navire, c'est-à-dire la force F_r propulsive disponible, dépend à la fois de la valeur de F_a et de son orientation, fonction elle-même de la finesse.

Pour augmenter cette force propulsive F_r, on cherche soit à augmenter la force aérodynamique totale F_a, 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 F_a 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 F_r et une résistance latérale F_s opposée à la composante de gîte et dérive F_h, 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 ε_h, c'est-à-dire la finesse hydrodynamique de la carène, sera plus grand. 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.

Très schématiquement, la résistance à l'avancement R est la somme des résistances de frottement, de remous, de vagues, de la résistance due à la gîte et de celle qui est induite par la dérive du voilier :

Selon la vitesse, le type de voilier et l'allure par rapport au vent, tel ou tel terme de cette somme peut prendre une importance plus ou moins grande. Les trois premiers termes sont communs à tous les types de navires et représentent l'essentiel de la résistance à l'avancement d'un voilier aux allures portantes. Plus l'allure se rapproche du lit du vent, plus les résistances dues à la gîte et à la dérive s'accroissent. Si l'angle de gîte au près devient excessif, la résistance à l'avancement devient considérable, la finesse de la carène diminue et le voilier « se vautre », selon le terme consacré par l'usage. On comprend mieux ainsi l'importance d'une bonne stabilité, garante de la finesse de la carène à l'allure du plus près.

La résistance latérale à l'allure du plus près (portance) de la carène des voiliers modernes pourvus d'un aileron antidérive distinct de la coque provient, pour l'essentiel, de cet aileron. Sur les anciens navires, clippers, cap-horniers, etc., la carène ne comportait aucun aileron antidérive, et la résistance latérale était procurée par une forme adéquate de la carène elle-même.

La vitesse et le cap optimal

Peut-on concevoir la possibilité d'améliorer indéfiniment la capacité des voiliers à serrer le vent ? L'angle de remontée au vent apparent β est directement lié aux finesses de la voilure et de la carène. Il est cependant impossible d'obtenir simultanément les valeurs maximales de ces deux finesses. À mesure que le voilier accélère, la finesse de la voilure augmente, mais celle de la carène diminue.

En effet, la portance de la carène est proportionnelle au carré de la vitesse, alors que la résistance à l'avancement croît avec une puissance de la vitesse supérieure à deux ; de sorte qu'un voilier rencontre à l'allure du plus près un « mur » de résistance infranchissable, sauf à imaginer un changement radical de conception. Un tel changement a été recherché par l'adaptation de plans porteurs (foils) aux voiliers. Diminuer l'angle de remontée au vent paraît donc extrêmement difficile. En revanche, aux allures portantes, un tel phénomène disparaît et il est comparativement plus facile d'augmenter alors la vitesse.

La simulation du comportement du voilier aux différentes allures peut être entreprise avec des programmes nommés V.P.P. (velocity prediction program) qui sont fondés, d'une part, sur une approche théorique et, d'autre part, sur la mise en équations de données issues d'essais systématiques en bassin. Les résultats sont d'autant plus précis que le voilier étudié a des caractéristiques proches de celles des voiliers utilisés dans la base de données du programme.