Escale 2 : Comment avance le bateau ?
Quelques notions de physique (X)
- Un plan
En terme de voile, un plan est une surface sur laquelle s’applique un certain nombre de forces.
On peut citer comme exemple de plan : une table, une voile, une dérive ou un sol.
Le coefficient de viscosité s’applique à une surface et caractérise la vitesse d’écoulement d’un fluide sur cette surface.
Les deux schémas présentent une vue grossie d’une voile et d’un sol en goudron. La route goudronnée a un coefficient de viscosité plus important que la voile.
- Un fluide
Un fluide correspond à deux des trois états de la matière : liquide et gazeux.
C’est un corps qui n’est pas solide, s’écoule et s’adapte à la forme de son environnement.
L’eau, l’air sont des fluides.
Un fluide est caractérisé par son poids, sa viscosité et sa densité.
- Une force
Elle est représentée par un vecteur.
Elle est caractérisée par son point d’application, sa direction, son sens, et son intensité (ou norme).
- L'addition des forces
Quand les forces F1 et F2 s’additionnent, on obtient un nouveau vecteur F3.
- La décomposition d'une force
Le dessin de gauche représente un hale-bas et F3 la force qui tire la bôme vers le bas.
F3 se décompose en deux forces F1 et F2. F1 compresse la bôme sur le mât et F2 tire la bôme vers le bas.
- Le moment d'un couple
Il est important de comprendre cette notion car elle va permettre d’expliquer notamment les couples de chavirage ou de redressement.
« d » est la distance entre les deux points d’application des forces F1 et F2.
Le moment d’un couple est le produit de la distance « d » par l’intensité des forces.
Nota : Si d =0 les 2 forces s’annulent. Plus « d » est importante, plus le moment du couple est important et donc plus l’effort est grand.
L'angle d'incidence (X)
La création d’une force aérodynamique FA dépend de l’angle entre le fluide (vent) et le plan (voile). Cet angle est noté alpha : α. On l’appelle l’ angle d’incidence.
Les deux schémas ci-dessous nous montrent l’existence ou l’absence de la force aérodynamique FA avec deux angles différents.
Si, l’angle d’incidence α = 0 degré, la force aérodynamique FA est nulle (inexistante) donc la voile est dégonflée.
Si l‘angle d’incidence α = X degré (de 1° à 90°), alors la force aérodynamique FA s’exerce donc la voile est gonflée.
La force aérodynamique ne peut s’exercer que s’il existe un angle d’incidence entre le plan et le fluide (voile-vent ou dérive-eau) non nul.
Le théorème de Venturi
L'effet venturi, mis en évidence par le physicien italien Giovanni Batista Venturi (1746-1822), correspond à l’accélération des particules en un lieu donné et à la formation d’un courant violent.
L'écoulement d'un fluide dans un étranglement est particulier. La vitesse à l'entrée de l’étranglement «V1» est égale à la vitesse de sortie «V2» de cet étranglement ; alors que la vitesse à l’intérieur de l’étranglement «V3» est supérieure à celle d’entrée et de sortie. On en conclut que, dans l'étranglement, il y a accélération du fluide. Cette accélération s’appelle un effet Venturi.
L’effet Venturi se fait ressentir dans un double étranglement mais aussi dans un étranglement simple (rétrécissement d’un seul côté).
Dans le cas d’un rétrécissement simple (une colline par exemple), il faut imaginer une plaque fictive (en pointillés rouges sur le schéma).
Dans les deux cas, nous pouvons écrire les deux équations suivantes :
V1=V2
V1,V2>V3
Le théorème de Bernoulli (X)
Le théorème de Bernoulli a été mis en évidence par le physicien suisse Daniel Bernoulli (1700-1782).
Le théorème de Bernoulli ne peut exister, en voile, que s’il s’accompagne auparavant de l’effet Venturi, car l’effet Venturi entraîne une accélération du fluide donc l’effet Bernoulli.
Le théorème de Bernoulli explique que :
- Sur l’intrados d’une surface (voile), il y a une augmentation de la pression due à un ralentissement du fluide (effet Venturi). Il se crée une surpression sur l’intrados ;
- Sur l’extrados d’une surface (voile), il y a une diminution de la pression due à une accélération du fluide sur le plan. Il se crée une dépression sur l’extrados.
Une loi en physique dit que «la nature n’aime pas le vide». Par conséquent, la surpression va combler la dépression, il y a création de la force aérodynamique. C’est grâce à cette force que le bateau avance.
On retrouve les mêmes conditions pour la création de la force hydrodynamique FH :
- Un angle d’incidence entre le fluide (eau) et le plan (dérive) ;
- Un effet Venturi ;
- Un effet Bernoulli.
La surpression vient combler la dépression, il y a création de la force aérodynamique FA.
Les caractéristiques de la force aérodynamique (X)
La force aérodynamique FA ne peut se créer sur la voile (plan convexe) que s’il existe :
- Un angle d’incidence non nul entre le fluide et le plan ;
- L’effet Venturi ;
- L’effet Bernoulli.
La force aérodynamique s’applique sur toute la surface de la voile, le plan de voilure, voir même sur toutes les parties émergées du bateau (haubans, mât, écoute, coque…).
Le dessin ci-dessous montre une représentation conventionnelle de la force aérodynamique FA.
La force aérodynamique ou poussée vélique s’applique sur le centre de voilure Cv.
La force aérodynamique se représente par un vecteur.
Elle est perpendiculaire à la corde de la voile et s’exerce dans son premier tiers avant.
L'arrêt
Très souvent, on entend dire « pour s’arrêter il faut choquer la ou les voiles ». Mais c’est un arrêt théorique car le bateau dérape.
Ce léger déplacement sous le vent est du à la force aérodynamique s’appliquant sur le mât, la coque, les voiles dégonflées, les écoutes, l’équipage…
La force aérodynamique est nulle car l’angle d’incidence entre le fluide et le plan est nul.
D’autres facteurs tels que la houle, les vagues, le courant, interviennent également dans la dérive du bateau.
