Escale 4 : Pourquoi le bateau accélère sur une vague ?

Le planning (X)

La force de portance et la poussée d’Archimède sont étroitement liées.
Il faut bien avoir assimilé les notions suivantes :

Un bateau arrêté flotte grâce à la poussée d’Archimède qui s’oppose au poids du bateau ;
Il se crée une force de portance Po quand le bateau avance ;
La force de portance est inversement proportionnelle à la poussée d’Archimède (quand l’une diminue l’autre augmente). Les deux forces sont égales au poids du bateau.

Flèche numéro 1 : le bateau est arrêté. La poussée d’Archimède est la seule force qui fait flotter le bateau.
Flèche numéro 2 : Le bateau a une faible vitesse, la poussée d’Archimède diminue, la force de portance apparaît.
Flèche numéro 3 : le bateau commence à partir au planning. La force principale s’appliquant sur la coque est la force de portance, la poussée d’Archimède diminue.
Flèche numéro 4 : le bateau est dans une situation de planning important, la force qui devient majoritaire à 95% est la force de portance tandis que la poussée d’Archimède tend à s’annuler.
Le bateau ne flotte plus, il se déplace alors à la surface de l’eau : il est au planning. Il est facile de remarquer un bateau ou une planche au planning car généralement l’eau touche la coque du puit de dérive jusqu’à l’arrière du bateau.

Sur le dessin de gauche, le bateau avance avec une faible vitesse mais sans être au planning. On peut s’apercevoir que la plus grande des forces qui s’applique est la poussée d’Archimède, la force de portance est plus faible.
Sur le dessin de droite, le bateau est au planning. Sa surface mouillée diminue et recule vers l’arrière de la carène donc le point d’application des forces recule aussi mais la plus grande des forces est la force de portance tandis que la poussée d’Archimède est négligeable. Le bateau ne flotte plus, il plane.

Le planning peut s'appliquer à tous les types de bateaux.

Le départ au surf (X)

Le départ au surf est complètement différent du planning. Il est initié par une vague. C’est la vague qui rattrape et pousse le bateau. Il va prendre de la vitesse et va donc surfer sur la vague.

Etape 1 : le voilier avance et la vague est en train de le rattraper.
Etape 2 : la vague rattrape le bateau, elle commence à déferler et il prend de la vitesse (à partir en surf).
Etape 3 : le bateau est en train de surfer sur la vague. Le surf d’une vague n’est pas indéfini. Quand le surf est fini, le bateau ralentit jusqu’à la vague suivante.

Les surfeurs en bord de plage utilisent le même principe. Ils attendent la vague, rament avec les mains pour prendre le maximum de vitesse puis ils se laissent porter par la vague tout comme le fait le bateau. Et ensuite, ils utilisent les cares de leurs planches pour diriger leur surf.

La couche limite

La surface d’une coque n’est jamais lisse même si cette dernière est neuve. La surface de la coque peut être comparée à l’intérieur de la main. Il y a de fins sillons. Les molécules d’eau vont se fixer dans les micro fissures et former une pellicule liquide appelée la couche limite.

Cette fine couche d’eau permet au bateau de mieux glisser sur l’eau. Ainsi quand le bateau avance, l’eau de mer vient glisser non pas sur la coque mais sur la fine couche d’eau qui se forme autour. Comme les deux surfaces, la couche limite et l’eau de mer, ont les mêmes caractéristiques, les frottements sont moindres et le bateau avance plus vite.

On applique une peinture antifouling auto-érodable sur les coques des bateaux qui sont toujours dans l’eau. Cette peinture ralentit la fixation des micros organismes marins. Elle s’élimine progressivement en navigation, mais n’est pas nocive pour le milieu environnant. Grâce à cette peinture particulière, la coque peut être nettoyée avec le grattoir d’une éponge.

L’enfournement : la commande écoute/barre

L’enfournement est un enfoncement de l’étrave du bateau (voir plus) sous l’eau. L’enfournement est du à une forte pression de la FA orientée vers l’avant du bateau combiné à un faible volume de l’avant du bateau.

A la suite de l’enfournement, il peut se passer deux situations. Soit l’étrave du bateau ressort de l’eau, et l’équipage poursuit sa route ; soit le bateau continue à enfourner et chavire en pivotant sur le côté ou en faisant un soleil.

L’équipage doit être attentif car l’enfournement peut se produire de deux manières différentes :

Soit l’étrave pénètre brutalement dans une vague, quelque soit l’allure du bateau par rapport au vent.
Soit l’étrave, au portant (largue au vent arrière), part sous l’eau, à cause d’une trop grande pression de la force aérodynamique sur les voiles.

Pour éviter l'enfournement, l’équipage peut agir sur les commandes écoute/barre et sur l'équilibre longitudinal.
Il doit diminuer la pression du vent sur les voiles et particulièrement celle qui s’exerce sur la voile d’avant (génois, spinnaker, trinquette…).

1) Au près :

Pour réduire la pression sur les voiles et par conséquent la force aérodynamique, l’équipage peut agir sur les écoutes. Il choque la voile d’avant puis la grand- voile (chariot et/ou écoute). Le plan de voilure va rapidement se mettre dans l’axe du vent et la force aérodynamique va diminuer brutalement.
Il peut également agir sur la barre et lofer pour faire faseyer la voile d’avant mais attention à ne pas virer de bord.

2) Au portant :

Si le bateau navigue sous voile d’avant et grand voile, l’équipage doit abattre et choquer en même temps les voiles. Le plan de voilure va passer d’un écoulement laminaire à un écoulement turbulent.
La force aérodynamique va brutalement diminuer, la pression exercée est plus faible, l’étrave ressort de l’eau.
Si le bateau navigue sous spinnaker (asymétrique ou symétrique), l’équipage choque d’abord le spinnaker puis abat en choquant la grand-voile.

L’enfournement : la commande équilibre

L’équilibre longitudinal permet d’éviter un enfournement. Quand le bateau enfourne, l’équipage peut notamment se reculer pour contrecarrer cet enfournement.

1 - L’équipage est en position neutre.
2 - Le bateau enfourne, l’équipage se recule.
3 - L’équipage est reculé, l’avant du bateau ressort de l’eau.
4 - Le bateau est de nouveau à plat, l’équipage doit s’avancer pour permettre au bateau de naviguer dans ses lignes.
5 - Le bateau et l’équipage ont retrouvé une position optimale.

Attention, lorsque le bateau enfourne, le déplacement de l’équipage sur l’arrière du bateau peut ne pas suffire. L’équipage doit alors également utiliser la commande écoute.
Quand un bateau enfourne, cela se termine souvent par un dessalage. Le bateau chavire en faisant un soleil, il passe cul par dessus tête.

Centre de gravité / Centre de carène (X)

Quand une personne monte sur un voilier, elle s’aperçoit que la stabilité transversale (ou latérale) est beaucoup moins importante que la stabilité longitudinale (la largeur est plus petite que la longueur).
Cette instabilité est due au centre de gravité et au centre de carène.

Le centre de gravité est le point de concentration des différentes forces qui permet à un corps de se trouver en équilibre. Le centre de gravité ne bouge pas.
Le centre de carène est le point où s’applique la résultante des forces hydrodynamiques. Le centre de carène se déplace en fonction de la surface de coque immergée.

Les schémas, ci-dessous, représentent cinq positions de bateau vu de l’arrière avec les différents déplacements du centre de carène Cc.

Sur le premier dessin, le bateau navigue à plat. Les deux centres sont sur le même axe vertical (en pointillés).
Sur le deuxième dessin, le bateau a une légère gîte. L’axe du centre de carène se déplace en s’éloignant de l’axe du centre de gravité.
Sur le troisième dessin, la gîte a augmenté (renforcement du vent par exemple). Les deux axes sont de nouveaux alignés, l’axe du centre de carène s’étant rapproché de l’axe du centre de gravité. Le bateau est en équilibre. S’il n’y a pas de modifications dues à la variation de l’intensité du vent ou (et) au déplacement de l’équipage, le bateau ne gîte pas plus mais ne revient pas non plus à plat.
Sur le quatrième dessin, la gîte a encore augmenté (renforcement du vent par exemple). L’axe du centre de gravité est passé de l’autre côté de l’axe du centre de carène. C’est alors le poids du bateau qui provoque le chavirage.
Sur le cinquième dessin, le bateau a chaviré.

La surface mouillée (X)

Un équipage centré et groupé permet au bateau de naviguer dans ses lignes et éviter ainsi des frottements néfastes à son avancement.

La surface mouillée correspond à l’empreinte laissée par le bateau quand il est posé sur l’eau.
Plus la surface mouillée est faible, plus la traînée est faible et moins le volume d’eau déplacé est important (Archimède).

La couleur bleue représente la surface mouillée du bateau.

Sur le bateau de gauche, l’équipage est trop reculé, la surface mouillée est importante, le bateau n’est plus dans ses lignes.
L’équipage du bateau de droite a un bon placement, la surface mouillée est optimale et inférieure à celle de gauche, le bateau navigue dans ses lignes, sa vitesse est bien meilleure.

La surface mouillée est fonction du poids du bateau et de la forme de la coque.
Plus le bateau est lourd, plus la surface mouillée et la partie immergée de la coque sont importantes. La vitesse du bateau étant inversement proportionnelle au volume d’eau déplacé, il est important de réduire au maximum le poids du bateau et des divers équipements.

La « chasse au poids » se pratique quelque soit la catégorie de bateau (de « l’Optimist » au grand trimaran de course au large). Elle s’applique pour :

Les matériaux de construction (coque, mât et voiles) ;
Les cordages ;
La nourriture pour les courses de plusieurs jours ;
Les affaires personnelles de l'équipage (vêtements par exemple) ;
L’électronique et l’aménagement intérieur du bateau.

La déformation de la surface mouillée dans le sens latéral peut avoir des conséquences sur la trajectoire du bateau.
Cette réaction du bateau est un effet de carène.

L’effet de carène (X)

L’effet de carène agit sur la trajectoire de l’embarcation. Quand le bateau gîte ou contre gîte, la carène liquide du bateau se déforme. La forme de la carène à l’arrêt est différente de la forme de la carène du bateau à la gîte ou à la contre gîte.

L’effet de carène se retrouve aussi en planche à voile lorsque celle ci n’est pas au planning. Le véliplanchiste utilise l’assiette latérale pour orienter son flotteur.

Sur le dessin de gauche, la pression du pied se fait au vent du flotteur, la planche à voile abat.
Sur le dessin de droite, la pression du pied se fait sous le vent du flotteur, la planche à voile lofe.

Les dessins représentent deux bateaux : un à la gîte, en haut et en rouge et l’autre à la conte-gîte en bas et en bleu. Le bateau à plat est dessiné noir.
Sur les bateaux en vue de dessus, on retrouve les mêmes conventions. La carène en haut et en rouge représente une carène à la gîte et la carène en bleu montre une carène à la contre-gîte.

La déformation des lignes de flottaison de la carène du voilier présente une courbure accentuée du côté où le bateau penche.

Quand le bateau contre gîte, la déformation se fait au vent (ligne bleue continue à droite). Elle est réduite sous le vent (ligne continue bleue de gauche) et le bateau abat.
Quand le bateau gîte, la déformation se fait sous le vent (ligne continue rouge de gauche). Elle est réduite au vent (ligne continue rouge de droite) et le bateau lofe.

Dans les deux cas, il en résulte un couple de virage, dont le point de pivot est la dérive.

La surface mouillée diminue sensiblement à la gîte. Par conséquent, il est préférable de toujours maintenir un léger angle de gîte pour que le bateau conserve une vitesse optimale.

Mais attention de ne pas trop gîter car cela produit deux effets préjudiciables à la bonne marche du bateau :

Un effet de ralentissement car un bateau trop gîté déplace un volume d’eau plus important qu’un bateau à plat ;
Un effet de lof trop important alors que le bateau avance en ligne droite.

Cet effet de carène se retrouve dans la conduite des longues planches à voile quand elles ne sont pas au planning.
Il faut, avec les pieds, émettre une pression sous le vent du flotteur, pour le faire lofer et une pression au vent du flotteur pour le faire abattre.

L'effet de care (X)

L’effet de care est surtout utilisé en planche à voile et plus particulièrement en funboard.
On le retrouve dans d’autres sports nautiques comme le wakeboard ou le surf. Il est également utilisé en ski et en snowboard.

L’effet de care fonctionne à l’inverse de l’effet de carène. Pour utiliser l’effet de care, il faut être obligatoirement au planning.

Sur le dessin de gauche : lors de la pression du pied sous le vent du flotteur, la planche à voile abat.
Sur le dessin de droite : lors de la pression du pied au vent du flotteur, la planche à voile lofe.

En surf, l’effet de care est l’unique technique pour diriger sa planche.

Le spin-out

Le spin-out est, comme sa traduction littérale l’indique, un tête à queue (dérapage du flotteur sous la voile).
Les véliplanchistes disent qu’ils ont « l’impression d’avoir cassé leur aileron ».

L’effet de spin out est causé par trois phénomènes :

La ventilation : l’air est aspiré sous la planche et vient former une bulle d’air autour l’aileron
Le décrochage qui se produit lorsque l'écoulement du fluide eau devient tourbillonnaire au niveau de l’aileron
La cavitation qui ne se produit qu’à des vitesses supérieures à 50 nœuds (plus de 90 km/h). Dans ce cas, l’eau autour de l’aileron se transforme en vapeur. Ce phénomène ne peut être observé que par des véliplanchistes très expérimentés.