Marc Rabaud
Filer plus vite que le vent…
Colloquium LP-ENS-Lyon, 4 octobre 2021
Eau Air
Qu’est-ce qu’un voilier ?
Qualités recherchées pour un voilier ?
- Ne pas couler !
- Ne pas se retourner !
- Transport de marchandises…
- Confort …
- Résistance à la mer …
- Vitesse …
Ne pas couler… (équilibre verticale des forces) Flottaison statique
(mode Archimédien)
Flottaison dynamique
(mode planant ou volant)
Gitana 17 Pogo 12.50
Ne pas se retourner… (équilibre des moments) Centre de Gravité versus Centre de Poussée
Stabilité de poids Stabilité de forme
Importance du lest (80 % du
poids) Importance de la
forme de la coque
Ne pas se retourner…
Stabilité dynamique => déplacement du CG
Moth International 49er (JO)
Aérodynamique : poussé par le vent
Navigation en poussée (écoulement décollé)
Ecoulement décollé et turbulent
La force propulsive est essentiellement due à la force de traînée
Belem
Naviguer contre le vent ?
Navigation en finesse (écoulement laminaire)
La force propulsive est essentiellement une force de portance
Pen Duick
Naviguer en “finesse”
Finesse = L / D = 1 / tan( e
a)
e
aa
€
L =
12ρ V
2SC
LD =
12ρ V
2SC
DOrigine de la portance
Daniel Bernoulli (1700-1782)
€
P +
12ρ V
2= Constante
Simulation d’un écoulement parfait autour
d’une voile mince
Utilisation de la polaire « Eiffel » : L = f(D)
Gustave Eiffel (1832-1923)
- Navigation « au près » : !iness& = !
" = 1/ tan ,
e
Quille et voile/aile ayant de bonnes finesses
Planeur ayant une bonne finesse
Imoca
Vent réel ou vent apparent ?
Þ Un voilier rapide navigue toujours près du vent (apparent).
Þ Si R >> 1 alors b devient très petit !
VS
VA
VT
V
Sβ
V
AV
TVoilier « lent »
Voilier « rapide »
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R = V S
V T < 1
<latexit sha1_base64="HYAPOXe3MaMdlspjKS00QuA2oTw=">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</latexit>
R = V S
V T > 1 sin( max ) = 1
R
VShip
β
VApp
VTrue
γ
Vent réel ou apparent ?
V
Shipβ
V
AppV
Trueγ
sin ( β
max) = 1
X
Angle b
Angle g
R =1.2
1.5 2 4
Þ Un voilier rapide navigue toujours près du vent apparent : Þ Si R ≫ 1 alors b est toujours très petit !
<latexit sha1_base64="K519LEIKtFaKEEKZpaO9cD+q8Bo=">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</latexit>
R = V S
V T
1492 : Caravelle
25 m, 270 m2, 100 tonnes R ≈ 0,25 ?
- = ./0&11& 23 450&53 ./0&11& 23 6&70 8é&:
2020 : Imoca
18 m, 600 m2, 7 tonnes R ≈ 1,5
2007 : AC32
24 m, 200 m2, 24 tonnes R ≈ 1
Pourquoi faut-il augmenter la finesse ?
β = ε a + ε h
L’angle de remonté au vent apparent est égal à la somme des angles de plané aéro et hydrodynamique :
Equilibre aéro/hydro (ici 2D)
Dh Dh Lh
Lh
La La Da
Da FaFa
Fh Fh
ε
aε
hδ
β
VA
VS VT
Théorème de Lanchester (1907)
<latexit sha1_base64="ad/xCKgXIft5tWkS2KnmQp7Z+1U=">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</latexit>
R = 3 =>
min= ✏
a+ ✏
h⇡ 20
o, f ⇠ 6
R = 5 =>
min= ✏
a+ ✏
h⇡ 11
o, f ⇠ 10
V T
V S
V S
Polaire de vitesse d’un voilier
- dépend du jeu de voile, - de la force du vent
- de l’état de la mer
Courbe V
S( q ) des vitesses
cibles en fonction du cap
par rapport au vent réel.
- Les parties plates
correspondent aux positions atteignable par virement de bord (VMG).
- Analogue à la construction de Wulff pour les cristaux
VMG upwind
VMG
downwind
Construction de l’enveloppe convexe :
V(q)
Comment aller plus vite ?
- Augmenter la surface de voile ?
- Diminuer la trainée hydrodynamique ? (sillage de vague)
- Diminuer le volume d’eau déplacé ? (alléger et foils)
Shamrock IV (sir Lipton)
Club Méd. (A. Colas)
Les bateaux volants et les
records de vitesse
Ils apprennent tous à voler !
Nacra 17 (mixte au prochain JO) ß Mini 6.50
AC 45 -->
Kitefoil (JO 2024)
Evolution des records
de vitesse
(sur 500 m)
Quelle est la vitesse limite d’un voilier ?
1 nœud = 1 mille marin/heure
=1,852 km/h
€
A 50 Noeuds, 1
2 ρ
eauV
S2≈ 3P
atmVitesse de cavitation ou de ventilation
Foils supercavitants
Ventilation sur un « mât » de kitefoil.
Sailrocket 2
(record du monde à 121 km/h en 2012)
Record du monde de vitesse à la voile !
121 km/h !
Plus vite que le vent ?
- Existe-t-il un R max ?
- Le théorème de Lanchester est-il
vraiment une limite ?
Peut-on naviguer face au
vent ?
Naviguer face au vent… est-ce possible ?
1920 – Constantin (sur la Seine)
1933 – Lord Brabazon 1980 – Jim Bates
Autogiro, gyrovoile, Archinaute …
Peter Worsley, 2008
Blackbird, juillet 2010, record à 2.8 fois la vitesse du vent.