Escale 4 : Quelles sont les décompositions d'une force ?
Généralités (X)
Quand un bateau avance, le plan de voilure doit être réglé selon la résultante du vent réel et du vent vitesse appelée le vent apparent, et non selon le vent réel.
Les trois vents en action sur le plan de voilure sont les suivants :
- Le vent réel VR correspond au déplacement d’air ressenti sur terre par un observateur immobile.
- Le vent vitesse VV correspond à un déplacement d’air ressenti par un observateur en mouvement (le vent que l’on sent sur notre visage en courant dans un gymnase).
Le vent vitesse s’oppose à 180° à l’axe de notre route (sens de déplacement). - Le vent apparent VA est la résultante des deux vents (vent réel vent apparent).
Attention, il faut distinguer deux types de terminologie quand le vent apparent se modifie en direction :
- « Adonnant » et « refusant » quand les variations du vent apparent sont dues à des variations du vent réel (météorologie) en force et en intensité ;
- « Rotation » quand les variations du vent apparent sont dues aux variations du vent vitesse en intensité.
Mais quelque soit la terminologie, les actions sur les commandes sont identiques.
La variation du vent réel en direction (X)
En météorologie, le vent réel n’est pas stable en direction. Il peut être perturbé par une côte, un obstacle ou tout simplement varier de façon naturelle.
Nous considérons que les vents réel et vitesse restent constants en intensité pour faciliter les explications.
- Le dessin de gauche représente la direction du vent apparent VA.
Ce vecteur va servir de référence pour déterminer si le vent apparent refuse ou adonne quand le vent réel change de direction. - Sur le dessin du milieu, le vent réel VR adonne (par rapport au bateau) donc le vent apparent VA adonne. L’écoulement sur les voiles est perturbé et le penon extrados est tourbillonnaire.
Deux solutions s’offrent à l’équipage : choquer le plan de voilure ou faire lofer le bateau.
Selon la situation, l’équipage peut aussi combiner les commandes gouvernail et écoute. - Sur le dessin de droite, le vent réel VR refuse, donc le vent apparent VA refuse et le penon intrados est tourbillonnaire. L’écoulement sur les voiles est perturbé.
L’équipage peut : border la ou les voile(s) ou faire abattre le bateau.
Selon la situation, l’équipage peut aussi combiner les commandes gouvernail et écoute.
L’équipage agit sur les commandes de direction (gouvernail) et de propulsion (écoutes) pour obtenir un angle d’incidence optimal et conserver un écoulement laminaire sur le plan de voilure.
La variation du vent réel en intensité (X)
Nous allons maintenant voir les variations d’intensité du vent réel. Nous considérons que la direction du vent réel est stable et que le vent vitesse reste constant en intensité.
Ici les termes "refusant" et "adonnant" peuvent être employés.
Quand le vent réel varie en intensité, le vent apparent VA change de direction.
- Le dessin de gauche représente la direction du vent apparent VA.
Ce vecteur va servir de référence pour déterminer si le vent apparent refuse ou adonne quand le vent réel varie en intensité. - Sur le dessin du milieu, le vent réel VR diminue en intensité (force Beaufort), le vent apparent refuse.
L’écoulement sur les voiles est perturbé, le penon intrados est tourbillonnaire.
L’équipage doit : border le plan de voilure ou faire abattre le bateau.
Selon la situation, l’équipage peut aussi combiner les commandes gouvernail et écoute. - Sur le dessin de droite, l’intensité du vent réel VR augmente. Le vent apparent VA adonne et le penon extrados est turbulent.
L’écoulement sur les voiles est tourbillonnaire, le penon extrados est turbulent.
L’équipage doit : choquer le plan de voilure ou faire lofer le bateau.
Selon la situation, l’équipage peut aussi combiner les commandes gouvernail et écoute.
L’équipage agit sur les commandes de direction (gouvernail) et de propulsion (écoutes) pour obtenir un angle d’incidence optimal et conserver un écoulement laminaire sur le plan de voilure.
La variation du vent vitesse en intensité (X)
La variation du vent vitesse en intensité entraîne une variation du vent apparent. Dans ce cas, on parle de rotation du vent (et non plus d’adonnante et de refusante).
Le vent vitesse est le vent que l’on sent quand on court dans un gymnase. Il s’oppose à 180 degrés par rapport au déplacement de notre bateau. Le vent vitesse varie en intensité.
Ces variations du vent vitesse sont dues :
- Aux accélérations du bateau suite à une action sur la commande écoute (border) ou suite à une action sur le gouvernail (lofer-abattre) ;
- Aux accélérations du bateau dues à l’environnement (départ au surf, planning…) ;
- Aux ralentissements du bateau (enfournement, coup de gouvernail violent…).
Nous considérons que le vent réel reste constant en direction et en intensité.
- Le dessin de gauche, représente la direction du vent apparent VA par défaut.
Ce vecteur va servir de référence pour déterminer si le vent apparent tourne sur l’arrière ou sur l’avant du bateau quand le vent vitesse varie en intensité. - Sur le dessin du milieu, le vent vitesse VV augmente à la suite d’une accélération (surf par exemple), le vent apparent VA effectue une rotation sur l’avant du bateau.
L’écoulement sur les voiles est perturbé et le penon intrados est tourbillonnaire.
L’équipage doit : border les voiles ou faire abattre le bateau.
Selon la situation, l’équipage peut aussi combiner les commandes gouvernail et écoute. - Sur le dessin de droite, le vent vitesse VV diminue (enfournement, coup de gouvernail violent…), le vent apparent VA passe sur le côté voir sur l’arrière du bateau et le penon extrados est tourbillonnaire. L’écoulement sur les voiles est perturbé.
L’équipage doit : choquer les voiles ou faire lofer le bateau.
Selon la situation, l’équipage peut aussi combiner les commandes gouvernail et écoute.
L’équipage agit sur les commandes de direction (gouvernail) et de propulsion (écoutes) pour obtenir un angle d’incidence optimal et conserver un écoulement laminaire sur le plan de voilure.
L’interaction des vents réel, vitesse et apparent
Le schéma ci-dessous présente des variations des vents réel VR, vitesse VV et apparent VA lors d’un départ au surf suivi d’un enfournement.
- 1) Situation initiale.
- 2) Le vent vitesse VV a augmenté à la suite d’un départ au surf par exemple. Le vent apparent VA passe sur l’avant du bateau.
- 3) L’équipage décide de régler le plan de voilure pour conserver l’angle voile/vent optimal. Mais, il aurait pu aussi faire abattre le bateau.
- 4) Le vent réel VR adonne. Le vent apparent VA adonne aussi.
- 5) Pour conserver un angle d’incidence optimal voile/vent, l’équipage décide de lofer. Mais, il aurait pu choquer le plan de voilure.
- 6) Le bateau percute violement une vague et enfourne (représenté par le rond rouge). Le vent vitesse VV diminue brusquement. Le vent apparent VA passe sur l’arrière du bateau.
- 7) Pour rétablir un écoulement laminaire sur le(s) voile(s), l’équipage choque les voiles.
Le pomping
Le pomping, le rocking, le virement bascule ou le hoching sont des manœuvres consistant à faire gagner de la vitesse et donc du temps à l’engin soit dans de la vitesse pure soit dans une manœuvre.
En compétition, l’ISAF a, dans les règles de course, réglementé l’utilisation de ces techniques : tant de fois par vague.
Le pomping, le virement bascule et le rocking sont des techniques où le gréement (plan) se déplace dans le vent (fluide) afin que les deux vitesses (fluide et plan) s’additionnent donc résultat la vitesse du fluide sur le plan est beaucoup plus importante donc la force aérodynamique est plus importante.
- Le pomping se retrouve sur tous les supports, mais les méthodes changent.
Il peut être utilisé pour :
favoriser un départ au surf ou rattraper une vague ;
se démarquer d’un adversaire ou se sortir d’une situation tactique ;
avoir de la vitesse dans le vent faible. - Le virement bascule s’utilise essentiellement en dériveur et habitable pour accélérer un virement de bord.
- Le rocking s’utilise surtout en dériveur. C’est un basculement cyclique du bateau de tribord à bâbord.
- Le hoching consiste à faciliter au bateau à passer les vagues. L’équipage va s’avancer ou se reculer pour passer la vague.
Le pomping en planche à voile
Le véliplanchiste est en opposition penché vers l’avant du flotteur, ses bras sont tendus vers l’arrière. Le gréement est vers l’arrière du flotteur. La chute du gréement se ferme (commande porte) progressivement.
Le véliplanchiste d’un coup sec et continu déplace son gréement, qui était sur l’arrière du flotteur, vers l’avant du flotteur (mouvement essuie-glace). Puis, il maintient le gréement bloqué vers l’avant du flotteur un instant pour utiliser toute la force aérodynamique créée dans ce mouvement.
Après avoir maintenu le gréement bloqué sur l’avant du flotteur, le véliplanchiste va ouvrir la chute du gréement (porte). Mais attention, l’ouverture de la chute de la voile doit être contrôlée en fonction de la direction par rapport au vent. Si la planche à voile est au prés il faut ouvrir un tout petit peu la voile. Si la planche est au grand largue l’ouverture de la voile est plus grande.
Le gréement repasse de l’avant à l’arrière du flotteur (essuie-glace). Puis le mouvement cyclique recommence, le véliplanchiste referme la chute de la voile ensuite le gréement repart sur l’avant et ainsi de suite.
La décomposition de la force aérodynamique selon l’axe de la route suivie (X)
La première décomposition se fait selon l’axe de la route suivie.
Deux forces s’exercent: la composante propulsive Cp, et la composante de dérive Cd.
- La composante propulsive Cp est parallèle à la route suivie.
- La composante de dérive Cd est perpendiculaire à la composante propulsive.
- La résultante se nomme la force aérodynamique FA.
La composante propulsive représente la force qui a tendance à faire avancer le bateau.
La composante de dérive est la force qui fait déraper le bateau sur le côté. Elle est notamment responsable de la « marche en crabe » du bateau.
La décomposition de la force aérodynamique selon l’axe du fluide (X)
La deuxième décomposition se fait selon l’axe du fluide. Dans ce cas, nous parlons de portance P et de traînée T.
- La traînée T est parallèle à l’écoulement du fluide.
- La portance P est perpendiculaire à la traînée.
- La résultante est la force aérodynamique FA.
La portance est la force qui tend à faire avancer le bateau. La traînée représente toutes les forces opposées à l’avancement.
Exemple : une voile comportant de gros plis car mal étarquée a une traînée plus importante qu’une voile sans plis étarquée correctement.
Un réglage de voile optimal (dit correct) a une portance importante et une traînée faible (cf. à la polaire d’une voile) donc un angle d’incidence optimal.
En aviation, le principe de fonctionnement d’une aile d’avion est le même que celui d’une grand-voile ou d’un foc sur un bateau. On retrouve les mêmes forces en présence.
Sur l’aile d’avion, il se produit les mêmes phénomènes qu’en voile :
- Un angle d’incidence ;
- Un effet Venturi ;
- Un effet Bernoulli.
L’augmentation de l’angle d’incidence et l’accélération de l’avion accroît la portance et la traînée.
Le pilote agit sur les commandes pour faire varier cet angle afin de faire prendre ou perdre de l’altitude à son avion.
La décomposition générale de la force aérodynamique (X)
Toutes les forces en action sur un plan de voilure lorsqu’un voilier avance sont représentées sur le schéma.
Des éléments peuvent influencer la force aérodynamique FA.
Elle est proportionnelle à :
- L’angle d’incidence ;
- La surface de la voile ;
- La forme (volume/creux) ou allongement de la voile ;
- Au carré de la vitesse.
Les polaires
La polaire d’une voile est la représentation graphique du rendement (portance et traînée) d’une voile.
Le rendement optimal d’une voile dépend de plusieurs facteurs :
- L'angle d’incidence (fluide/plan) ;
- L’allongement de la voile ;
- La qualité de la voile.
La polaire est un graphique avec en abscisse la traînée (parallèle au fluide) et en ordonnée la portance (perpendiculaire à la traînée).
En premier lieu est placé la force aérodynamique, tout en conservant les mêmes caractéristiques (origine, sens, direction et intensité).
Ensuite pour lire les valeurs relatives de la traînée et de la portance, il faut les projeter respectivement sur l’axe des ordonnées et des abscisses.
La courbe montre pour différents angle d’incidence les valeurs maximales de la portance et de la traînée.
Il existe d’autres polaires comme les polaires de vitesse.
La polaire d’une voile selon l'angle d'incidence
Le bateau conserve le même angle axe bateau/axe vent. Par contre, sur le bateau il y a trois angles d’incidence voile/vent, nommé α « Alpha » différents. S’il y a trois angles d’incidence il y a alors trois forces aérodynamiques. Ces trois forces ont été reportées dans le graphique de droite (la polaire d’une voile). Les trois forces ainsi reportées ont conservé leurs caractéristiques (origine, sens, direction et intensité).
Sur le graphique se trouve en abscisse la traînée (toujours parallèle au fluide) et en ordonnée la portance (perpendiculaire à la traînée). Les FA 1, FA 2 et FA 3 ont des angles d’incidence respectifs de 20°, 45° et 80°.
Le graphique permet de mettre en exergue les observations suivantes :
- FA 1 a un angle d’incidence optimal soit selon les voiles entre 15° et 23°.
L’écoulement y est laminaire. La traînée est faible et la portance est importante. Le rendement de la voile est optimum ; - FA 3 a un angle d’incidence important environ 80°.
L’écoulement est turbulent. La traînée est importante mais la portance est faible. Le rendement de la voile est nul ; - FA 2 a un angle d’incidence entre les deux premiers soit 45° (plan/fluide).
L’écoulement doit y être mixé (laminaire/turbulent). La traînée et la portance sont proche le rendement de la voile est moyen.
Par conséquent, il est intéressant de voir sur la polaire de la voile que l’angle d’incidence optimal pour cette voile est bien autour de 20°.
La polaire d'une voile selon la forme de la voile
La polaire d’une voile représente le rendement d’une voile avec différents réglages de bordure.
Ici les angles bateau/vent et d’incidence sont constants. Seul varie le volume de la voile. Les trois voiles sont représentées en bleue, rouge et noire.
Là encore, la polaire de la voile permet de mettre en évidence les rendements des différents trois volumes de la voile :
- La voile bleue (trait bleu) est très plate.
La portance est importante et la traînée est faible ; - La voile noire est très creuse.
La portance est plus faible et la traînée est plus importante que la voile bleue ; - La voile rouge (trait rouge) est un réglage intermédiaire, un compromis entre la voile très plate (trait bleu) et la voile très creuse (trait noir).
De ce fait, la portance est supérieure à celle de la première (voile bleue) et à celle la dernière voile (voile noire).
Par contre la traînée est légèrement plus importante que sur la voile bleue mais surtout bien moins importante que sur la voile noire.
