La navigation à voile est apparue il y a des milliers d'années, lorsqu'un homme ingénieux s'est aperçu qu'en tendant une peau au vent au-dessus des embarcations, on pouvait avancer sur l'eau sans avoir besoin de ramer. Encore fallait-il que le vent soit favorable, car dans le cas contraire, tout ingénieux qu'il fût, il devait tout de même ramer. Au fil des siècles, les bateaux à voile se sont diversifiés pour devenir des bateaux de pêche, de commerce ou des navires de guerre. La voile en tissu a remplacé la peau tendue. Ces bateaux parvenaient à naviguer assez rapidement par vent arrière ou de travers mais ils devenaient horriblement lents lorsqu'ils devaient affronter un vent de face. Comme les marins devaient souvent naviguer sur des voies étroites et qu'ils n'avaient, la plupart du temps, pas d'autres choix que d'avancer contre le vent, divers bateaux de petite taille commencèrent à apparaître : le boutre arabe en mer Rouge et les cotres du Canal de Bristol en Angleterre furent les premiers bateaux capables de remonter correctement le vent.

De nos jours, les voiliers modernes sont capables de naviguer contre le vent et sont parfois même plus rapides que lui. Depuis l’apparition des moteurs, la navigation à voile est progressivement devenue un loisir : un véritable jeu qui requiert une maîtrise des phénomènes physiques impliqués.

Guillaume Florent
Ancien Informaticien chez Schlumberger


Fonctionnement des voiles
En toute logique, on pourrait penser qu'un bateau ne peut avancer que dans la direction où souffle le vent, soit en termes plus techniques, au portant. Mais une voile triangulaire permet également d'avancer vers le vent (au près). Pour bien comprendre ce fonctionnement, il est d'abord nécessaire d'identifier certaines parties de la voile.

Le bord d'attaque de la voile s'appelle le guindant : c'est la partie avant d'une voile. Le bord de fuite, côté arrière de la voile, s'appelle la chute. La ligne imaginaire qui relie le guindant à la chute s'appelle la corde. La courbure d'une voile s'appelle le creux de la voile et la distance perpendiculaire entre la corde et le creux maximal de la voile s'appelle la profondeur de creux. Le côté de la voile que l'air gonfle en formant une courbe concave correspond au côté au vent. Le côté poussé vers l'extérieur pour créer une forme convexe correspond au côté sous le vent. Mais nous reviendrons plus tard sur ces termes.

Parties de la voile et termes techniques

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Un bateau remonte au vent grâce aux forces générées de part et d'autre de la voile. L'ensemble de la force générée provient d'une force positive (qui pousse) sur le côté au vent et d'une force négative (qui tire) sur le côté sous le vent, ces deux forces agissant dans la même direction. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, c'est la force négative qui domine.

En 1738, le physicien Daniel Bernoulli a découvert que lorsque l'on augmentait la vitesse de l'air dans un flux d'air libre, il se créait une zone de basse pression où s'écoulait un courant d'air plus rapide. C'est exactement ce qui se passe sur le côté sous le vent de la voile : la vitesse de l'air s'accélère, créant ainsi une zone de basse pression derrière la voile.

Le principe de Bernoulli appliqué au parapluie

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Pourquoi l'air accélère-t-il ? Tout comme l'eau, l'air est un fluide. Lorsque le vent vient rencontrer la voile, il se divise et reste en partie « attaché » au côté convexe (sous le vent) de la voile, où il se laisse porter. Pour que l'air « non-attaché » qui se trouve au-dessus de l'air « attaché » puisse dépasser la voile, l'air « attaché » doit se « courber » en direction du courant d'air qui n'a pas touché la voile. Mais cet écoulement d'air libre a tendance à circuler en ligne droite et à agir comme une barrière. Entre l'écoulement d'air libre et la courbe de la voile se crée alors un passage étroit par lequel doit s'engouffrer la masse d'air initiale. Cette masse d'air, qui ne peut se compresser, est donc obligée d'accélérer pour rentrer dans ce passage étroit. C'est pour cette raison que la vitesse de l'air accélère sur le côté convexe de la voile.

Une fois ce phénomène amorcé, la théorie de Bernoulli peut s'appliquer. L'écoulement d'air qui s'engouffre dans le passage étroit est plus rapide que l'air ambiant, entraînant une baisse de la pression dans la zone où l'air se déplace plus rapidement. Il se produit alors une réaction en chaîne. Lorsqu'une nouvelle masse d'air s'approche du bord d'attaque de la voile et se divise, la plus grande partie de cette masse se dirige vers le côté sous le vent de la voile (l'air est attiré par les zones de basse pression et repoussé par les zones de haute pression). C'est donc une masse d'air encore plus importante qui doit à présent s'engouffrer très vite dans ce passage étroit que forment la partie convexe de la voile et cet écoulement d'air libre, réduisant davantage la pression de l'air. Ce phénomène s'accroît jusqu'à ce que la vitesse optimale (selon la force du vent) soit atteinte et qu'une zone de basse pression maximale soit créée sur le côté sous le vent. Notons que la vitesse de l'écoulement de l'air augmente uniquement jusqu'à ce qu'il atteigne le point situé le plus au creux de la voile (profondeur de creux). L'air continue donc de converger et d'accélérer jusqu'à ce point, puis il s'écarte et ralentit jusqu'à ce qu'il retrouve sa vitesse initiale, qui est celle de l'air ambiant.

Ecoulement d'air laminaire autour d'une voile (angle optimal entre la voile et le vent)

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Au même moment, il se produit exactement le phénomène inverse sur le côté au vent de la voile. Plus l'air afflue du côté sous le vent, moins il y a d'air du côté au vent pour s'engouffrer dans le passage élargi entre le côté concave de la voile et le courant d'air libre. En s'écoulant, cet air ralentit et finit par se déplacer moins rapidement que l'air ambiant, augmentant de ce fait la pression.

Forces générées par une voile dans un écoulement d'air laminaire

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Maintenant que nous en savons plus sur ces forces potentielles, comment faire pour les développer et faire avancer notre bateau ? Un équilibre idéal doit être établi entre la voile et le vent, qui va permettre au vent d'accélérer tout en s'écoulant le long de la courbe convexe de la voile. Une partie de cet équilibre entre la voile et le vent s'appelle l'angle d'incidence. Imaginez une voile qui fendrait le vent. L'air va se diviser équitablement de part et d'autre de la voile : la voile fléchira au lieu de se gonfler d'air et de prendre une forme courbe, l'air n'accélèrera pas et ne créera pas de zone de basse pression sur le côté sous le vent et le bateau n'avancera pas. Mais si la voile est orientée à un certain angle par rapport au vent, la voile se gonflera soudainement et génèrera des forces aérodynamiques.

L'angle d'incidence de la voile doit être calculé avec précision. Si l'angle est trop serré par rapport au vent, l'avant de la voile « faseye », c'est-à-dire qu'elle bat au vent. Si l'angle est trop large, les écoulements d'air circulant le long de la courbure de la voile s'éloignent et se mêlent à l'air ambiant. Cette séparation crée une « zone de décrochage » d'air tourbillonnant qui fait chuter la vitesse de l'air tout en augmentant sa pression. Selon la courbure de la voile, la partie arrière présentera toujours un angle supérieur au vent par rapport au bord d'attaque. C'est pourquoi l'air qui arrive au niveau de la chute de la voile n'arrive pas à suivre la courbe et reprend la trajectoire de l'air libre ambiant. Dans l'idéal, l'écoulement d'air ne devrait pas se détacher de la voile avant d'avoir atteint la chute. Mais plus l'angle d'incidence de la voile est important, plus ce point de séparation se déplace progressivement vers l'avant, laissant derrière une zone de décrochage.

Influence de l'angle d'incidence

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On constate que pour créer l'équilibre parfait entre le vent et la voile, la voile doit avoir un angle d'incidence satisfaisant qui permette à l'air de circuler librement dessus. Cet équilibre dépend de la courbure de la voile qui, si elle est correcte, doit permettre à l'air de la suivre jusqu'à son extrémité arrière. Si la courbe n'est pas assez prononcée, l'air ne se courbera pas vers l'extérieur, et il ne se produira aucun effet de compression pour accélérer l'air. Par contre, si la courbe est trop profonde, l'écoulement d'air ne restera pas « collé » à la voile. L'air peut donc se séparer de la voile pour deux raisons : une courbure trop profonde ou un angle d'incidence trop élevé.

Nous savons maintenant, en théorie et en pratique, comment les hautes et les basses pressions se développent sur la voile. Mais comment ces pressions parviennent-elles à faire avancer un bateau ? Voyons cela de plus près.

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique équivaut à 10 tonnes au mètre carré. Nous avons vu que la pression de l'air diminuait lorsque l'écoulement d'air augmentait sur le côté sous le vent de la voile. Supposons que cette pression diminue de 20 kilogrammes par mètre carré. Parallèlement, la pression de l'air sur le côté au vent de la voile augmente, disons de 10 kilogrammes par mètre carré (n'oubliez pas que la pression qui tire reste supérieure à la pression qui pousse). Et même si la pression du côté sous le vent est négative et que la pression du côté au vent est positive, toutes deux déplacent la voile dans la même direction. Donc, la pression totale obtenue est égale à 30 kilogrammes par mètre carré. Si l'on multiplie cette pression par 10 mètres carrés de voile, on dispose alors d'une force totale de 300 kilogrammes qui agit sur la voile.

Cependant, la pression varie d'un point à l'autre de la surface de la voile. La force la plus importante s'exerce au point de profondeur de creux, là où la courbure de la voile atteint son maximum. C'est à cet endroit que l'air est le plus rapide et que la pression est la plus basse. Cette force faiblit à mesure que l'air atteint la chute puis finit par disparaître. Selon l'endroit où elles s'exercent, ces pressions changent également de direction. En tout point, la force exercée reste perpendiculaire à la surface de la voile. Ainsi, les fortes pressions présentes à l'avant de la voile sont également celles qui se dirigent le plus vers l'avant. Au centre de la voile, la pression s'oriente latéralement vers le côté ou la gîte. Enfin, au niveau de la chute, la force devient de plus en plus faible au fur et à mesure que le vent ralentit, ce qui entraîne un mouvement vers l'arrière ou de traînée.

Il est possible de calculer chacune des pressions s'exerçant sur la voile afin de déterminer la force relative des composantes d'avant, de gîte et de traînée, sur chaque côté de la voile. Etant donné que les forces actives à l'avant sont également les plus puissantes, la force totale qui s'exerce sur la voile est légèrement dirigée vers l'avant, mais principalement perpendiculairement à la voile. En augmentant la puissance d'une voile pour renforcer la propulsion vers l'avant, la force de dérive est en même temps considérablement accrue. Alors, comment avancer contre le vent lorsque la force la plus puissante est latérale ? Pour cela, il faut prendre en compte l'angle d'incidence de la voile au vent et la résistance du bateau à l'autre fluide qui entre en jeu, à savoir l'eau.

Forces en action sur un bateau naviguant au vent

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La direction de la force totale est presque perpendiculaire à la corde de la voile. Lorsque la corde est parallèle à l'axe du bateau, la force principale est presque totalement latérale. Mais si l'on modifie légèrement l'axe de la voile pour déplacer la force agissant sur la voile un peu plus vers l'avant, le bateau se met immédiatement à avancer. Pourquoi ? L'axe du bateau, également appelé quille, se comporte avec l'eau de la même façon que la voile avec le vent. La quille génère une force qui s'oppose à la force de dérive de la voile : elle empêche le bateau de suivre la direction de la force qui s'exerce sur la voile. Et bien que la force totale sur la voile soit toujours latérale lorsque le bateau navigue au vent, un angle d'incidence correct permettra de faire avancer le bateau.

Plus l'angle de la voile s'écartera de l'axe de la coque, plus la force latérale se déplacera vers l'avant. En associant ce léger réglage de la force propulsive avec l'opposition de l'eau à l'air, le bateau, qui suit le chemin de moindre résistance, remontera au vent.