VOILIERS

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La physique du voilier

La physique du voilier recouvre les allures, la stabilité du voilier, les forces aérodynamiques et hydrodynamiques pour trouver la vitesse et le cap optimaux.

Les allures

Le terme « allure », lorsqu'il concerne un navire ou un voilier, sert à définir l'orientation de la route suivie par le bateau par rapport à la direction du vent (fig. 2).

Allures

Dessin : Allures

Différentes allures du voilier (d'après Catherine Wodey, « Rapport de stage », 1980). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La stabilité

Il est permis de dire, par une formule raccourcie très expressive, que la stabilité est la force propulsive du voilier. En effet, un voilier ne peut supporter de surface de voilure, ou ne peut donc disposer de force propulsive, que dans la mesure où sa stabilité le lui permet.

La stabilité se mesure et s'exprime par le moment du couple de redressement, c'est-à-dire par le produit du poids du navire multiplié par la distance entre le vecteur poids appliqué au centre de gravité et le vecteur poussée hydrostatique d'Archimède appliqué au centre de carène, c'est-à-dire au centre géométrique du volume immergé. La courbe de redressement du voilier est la courbe des moments de redressement en fonction des différents angles de gîte (inclinaison latérale du voilier). Une même stabilité (c'est-à-dire un même couple de redressement) peut être obtenue par un grand poids et un petit bras de levier (exemple du voilier de commerce ou du yacht monocoque, fig. 3, 4 et 5) ou, au contraire, par un petit poids et un grand bras de levier (exemple du yacht multicoque, catamaran ou trimaran).

Monocoque

Dessin : Monocoque

Voilures et coques de trois types de voiliers actuels, le monocoque classique et les multicoques catamaran et trimaran, et couple de stabilité latérale de ces trois catégories de voiliers (archives de l'architecte naval André Mauric). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Monocoque

Dessin : Monocoque

Voilures et coques de trois types de voiliers actuels, le monocoque classique et les multicoques catamaran et trimaran, et couple de stabilité latérale de ces trois catégories de voiliers (archives de l'architecte naval André Mauric). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Catamaran

Dessin : Catamaran

Voilures et coques de trois types de voiliers actuels, le monocoque classique et les multicoques catamaran et trimaran, et couple de stabilité latérale de ces trois catégories de voiliers (archives de l'architecte naval André Mauric). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Trimaran

Dessin : Trimaran

Voilures et coques de trois types de voiliers actuels, le monocoque classique et les multicoques catamaran et trimaran, et couple de stabilité latérale de ces trois catégories de voiliers (archives de l'architecte naval André Mauric). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La stabilité d'un voilier est étudiée du double point de vue des performances et de la sécurité. Ainsi, une augmentation de la stabilité aux faibles angles, jusqu'à 300 environ, est un facteur de vitesse aux allures proches du vent ; alors que l'augmentation de la stabilité aux grands angles, et jusqu'à 1800, a surtout une influence sur la sécurité dans des conditions de navigation critiques.

L'étude de la courbe de redressement d'un voilier est fondamentalement analogue à celle d'un navire quelconque. Selon le type de voilier, on obtient des courbes de redressement très différentes (fig. 6). Plusieurs paramètres les décrivent et parmi ceux-ci principalement l'angle de chavirement statique (angle pour lequel le couple des forces de gravité et d'Archimède s'inverse et devient couple de chavirement). Cet angle peut être de l'ordre de 1200 à 1400 pour les voiliers de plaisance de série à quille lestée. Pour les racers des séries internationales, il arrive que le chavirement statique soit impossible. En outre, l'aire de la partie positive de la courbe des moments de redressement traduit la résistance à l'impact d'une vague ou à celui d'une rafale de vent ; alors que l'aire de la partie négative de la courbe (partie grisée, fig. 6) caractérise la stabilité en position chavirée. Cette dernière doit être minimisée pour que l'équilibre en position chavirée soit très instable.

Courbes des stabilités

Dessin : Courbes des stabilités

Courbes types des moments des couples de redressement, c'est-à-dire courbes types des stabilités, de trois catégories de voiliers : monocoque, yacht lesté ou voilier de commerce et multicoques catamaran et trimaran. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Courbes des stabilités

Dessin : Courbes des stabilités

Courbes types des moments des couples de redressement, c'est-à-dire courbes types des stabilités, de trois catégories de voiliers : monocoque, yacht lesté ou voilier de commerce et multicoques catamaran et trimaran. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les multicoques, catamarans, trimarans et praos ne sont généralement pas lestés et tirent leur stabilité de leur très grande largeur : leur courbe des moments de redressement passe par un maximum très accentué vers 100-300 pour s'annuler ensuite vers 700-900. Du fait de leurs caractéristiques, ils présentent souvent des stabilités longitudinale ou diagonale voisines de leur stabilité latérale.

Pour les monocoques, un accroissement de la gîte a pour conséquence une augmentation de la traînée. D'où l'importance de la stabilité du monocoque aux allures proches du vent où la vitesse maximale, pour un angle de remontée au vent donné, est atteinte à des angles de gîte compris entre 100 et 300.

Les forces aérodynamiques et hydrodynamiques

L'origine de l'énergie propulsive d'un voilier est la transformation par les voiles de l'énergie cinétique du vent. On constate expérimentalement que le fluide est accéléré sur une face de la voile et ralenti sur l'autre. D'après le théorème de Bernoulli, ces différences de vitesses induisent des différences de pressions, une surpression au vent et une dépression sous le vent. La résultante de ces pressions constitue la force aérodynamique soit Fa, appliquée en un point appelé centre d'effort de la voilure. Fa peut être décomposée selon une composante dans la direction du vent apparent Fx, qui est la traînée de la voilure, et une composante dans la direction orthogonale au vent apparent Fz, qui est la portance de la voilure.

Forces aérodynamiques et hydrodynamiques

Dessin : Forces aérodynamiques et hydrodynamiques

L'équilibre des forces aérodynamiques (en traits pleins) et hydrodynamiques (en pointillés). La représentations est figurée dans un plan horizontal (a). Triangle des vitesses (b). 

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Sous l'influence du vent, le voilier se déplace à une vitesse donnée Vs. Il ressent alors un vent relatif en sens opposé — Vs. Le triangl [...]

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Boutre de Mascate

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Goélette bermudienne

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Coupe de l'America: voiliers de 1851 et de 2009

Coupe de l'America: voiliers de 1851 et de 2009
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Écrit par :

  • : architecte naval, bureau d'études André Mauric, Marseille
  • : ingénieur de l'armement (génie maritime), architecte naval, président du bureau d'architecture André Mauric

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Pour citer l’article

André MAURIC, Jean-Charles NAHON, « VOILIERS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/voiliers/