Escale 2 : Quel est le rôle de la dérive ? Pourquoi un bateauflotte ?
La poussée d’Archimède (X)
Définition de la poussée d’Archimède: « un corps plongé dans un fluide subit une poussée verticale vers le haut égale au poids du fluide déplacé ».
L’histoire d’Archimède : Un jour,…, il y eut une dénonciation disant qu'après avoir ôté de l'or, on avait mêlé la même quantité d'argent dans la fabrication de la couronne […]. Hiéron, indigné d'avoir été joué, et ne trouvant pas comment il mettrait la main sur le voleur, demanda à Archimède de se charger pour lui de cette réflexion. Alors Archimède, comme il avait le souci de cette affaire, alla par hasard aux bains, et là, comme il entrait dans sa baignoire, il s'aperçut que le volume de son corps qui y était plongé était égal au volume d'eau qui s'en écoulait. Ce phénomène lui montra comment expliquer l'affaire et, sans s'attarder, il sauta de la baignoire, poussé par la joie, et, allant nu chez lui, il faisait entendre à tous en criant qu'il avait trouvé ce qu'il cherchait. En courant il criait sans cesse en grec : EUREKA ! EUREKA !
Quelque soit le matériau employé bois, aluminium, plastique voir même granit, l’homme a toujours su les maîtriser pour construire des bateaux. Ils flottent tous car la poussée d’Archimède s’applique sur toute la partie immergée de la coque : dérive, gouvernail et coque.
Parch représente la poussée d'Archimède.
P représente le poids du bateau.
- Si Parch est inférieure à P : le bateau coule.
- Si Parch est égale à P : le bateau flotte.
En fait, tout est une affaire de densité. La densité correspond au rapport entre le poids et le volume d’un corps.
Comme tout engin flottant, le sous-marin subit la poussée d’Archimède. Afin de pouvoir plonger, il va utiliser un système de ballasts qui vont être remplis d’eau de mer. Le poids du sous-marin augmente mais son volume reste le même. La poussée d’Archimède est alors inférieure au poids du bateau qui va alors s’immerger.
A l’inverse, pour remonter à la surface, le sous-marin va vider ses ballasts.
La notion d’insubmersibilité (X)
La définition d’insubmersible selon le Petit Larousse : « qui ne peut pas couler ».
C’est à dire que les bateaux remplis d’eau avec leur matériel (gréement, dérive…) et l’équipage réglementaire ne coulent pas. De plus de nombreuses embarcations sont conçues pour continuer à naviguer afin de regagner un point à terre (pas forcément celui du départ).
L’insubmersibilité d’un bateau s’obtient par différents procédés de fabrication tels que :
- Des caissons étanches ;
- Le cloisonnement de la coque ;
- Des volumes de matière plastique expansée ou polystyrène ;
- Des réserves de flottabilité…
L’insubmersibilité d’un bateau est un gage de sécurité non négligeable pour tous les navigateurs et notamment pour ceux naviguant en haute mer.
La dérive
Définition : l’hydrodynamisme est l’étude de l’influence d’un fluide (l’eau) sur un plan.
Nous allons analyser l’influence de l’eau sur les parties immergées (la coque et les appendices d’un bateau).
Bien que l’eau soit beaucoup plus dense que l’air, elle est aussi considérée comme un fluide.
En hydrodynamisme, c’est le plan qui se déplace dans le fluide. Le mouvement du fluide eau (houle, vague, courant) se déplace de manière beaucoup moins importante sur le plan.
La dérive forme le plan. Ici nous parlons d’un plan bi-convexe, car le plan est bombé des deux côtés.
La dérive joue un rôle important dans la bonne marche du bateau. En effet, sans la dérive, le bateau avance sur le côté à cause de la force aérodynamique. Pour contrer ce déplacement sur le côté, on utilise la dérive et sa force hydrodynamique. Ce déplacement en latéral s’appelle communément : « se déplacer en crabe ».
Effectivement comme sur la photo ci dessous, l’Optimist souhaite de rendre sur l’amer matérialisé par la croix rose. Si le barreur enlevait la dérive, il se retrouverait sous le vent de la croix rose c’est à dire sur la croix bleue même s’il essayait de viser au vent.
Mais le plan de dérive ne solutionne pas complètement la dérive du bateau. Effectivement, le bateau dérive toujours car la force aérodynamique est plus importante que la force hydrodynamique. A ce moment là, le barreur, ayant son plan de dérive abaissé au maximum, doit viser au vent de son point d’arrivée. Ici en l’occurrence pour atteindre la croix rose, le barreur doit anticiper sa dérive en visant au vent sur la croix verte. Sinon avec l’angle de dérive, il arriverait sur la croix rouge donc, sous le vent de son point d’arrivée.
La formation de la force hydrodynamique (X)
Pour comprendre la création de la force hydrodynamique, il faut se référer à la force aérodynamique.
Les mêmes phénomènes physiques régissent ces deux forces.
Le tableau présente un comparatif entre la création de la force hydrodynamique et la force aérodynamique.
| Hydrodynamisme | Aérodynamisme |
|---|---|
| Un fluide : L'eau | Un fluide : L'air |
| Un plan bi-convexe : La dérive La carène | Un plan : Les voiles |
| Un angle d’incidence : Entre l’eau et la dérive | Un angle d’incidence : Entre le vent et le plan de voilure |
| Un effet venturi | Un effet venturi |
| Un effet Bernoulli | Un effet Bernoulli |
| La création d’une force hydrodynamique | La création d’une force aérodynamique |
Le processus de création de la force hydrodynamique est identique au processus de création de la force aérodynamique même si en hydrodynamique, le plan n’est pas convexe mais bi-convexe.
La force hydrodynamique est représentée par un vecteur. Son symbole est FH.
Le point d’application de la force hydrodynamique est le centre de dérive Cd.
La force hydrodynamique s’applique sur l’ensemble des éléments immergés de l’engin :
- La coque ;
- La dérive ;
- Le gouvernail ;
- L'hélice...
La force hydrodynamique sur le plan horizontal (X)
La force hydrodynamique sur le plan vertical correspond à la force anti-dérive.
Elle se décompose de la façon suivante :
- La traînée T est parallèle et dans le même sens que le fluide ;
- La portance P est perpendiculaire à la traînée ;
- La force anti-dérive Fad est la résultante des deux forces traînée T et portance P.
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Les photos nous montrent la présence ou pas de la force hydrodynamique selon si la dérive est mise ou pas.
Dans les deux cas, l’Optimist est remorqué à vitesse identique.
- Sur la photo de gauche, la dérive est relevée ; le dériveur est stable.
- Sur la photo de droite, la dérive est abaissée complètement. L’Optimist est en train de pencher fortement.
La force hydrodynamique sur le plan vertical (X)
Quand le bateau commence à avancer, il se crée une pression dynamique ou une force de portance qui soulève le bateau, diminuant le volume immergé.
La somme des deux forces (Archimède et portance) est toujours égale au poids du bateau. Si la force de portance augmente, la poussée d’Archimède diminue et inversement.
La force de portance se décompose ainsi :
- La traînée T est parallèle au fluide et dans le même sens ;
- La portance Po est perpendiculaire à la traînée ;
- La force de portance Fp qui est la résultante des deux forces traînée et portance.
