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Filer plus vite que le vent…

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Marc Rabaud

Filer plus vite que le vent…

Colloquium LP-ENS-Lyon, 4 octobre 2021

(2)

Eau Air

Qu’est-ce qu’un voilier ?

(3)

Qualités recherchées pour un voilier ?

- Ne pas couler !

- Ne pas se retourner !

- Transport de marchandises…

- Confort …

- Résistance à la mer …

- Vitesse …

(4)

Ne pas couler… (équilibre verticale des forces) Flottaison statique

(mode Archimédien)

Flottaison dynamique

(mode planant ou volant)

Gitana 17 Pogo 12.50

(5)

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

(6)

Ne pas se retourner…

Stabilité dynamique => déplacement du CG

Moth International 49er (JO)

(7)

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

(8)

Naviguer contre le vent ?

Navigation en finesse (écoulement laminaire)

La force propulsive est essentiellement une force de portance

Pen Duick

(9)

Naviguer en “finesse”

Finesse = L / D = 1 / tan( e

a

)

e

a

a

L =

12

ρ V

2

SC

L

D =

12

ρ V

2

SC

D

(10)

Origine de la portance

Daniel Bernoulli (1700-1782)

P +

12

ρ V

2

= Constante

Simulation d’un écoulement parfait autour

d’une voile mince

(11)

Utilisation de la polaire « Eiffel » : L = f(D)

Gustave Eiffel (1832-1923)

- Navigation « au près » : !iness& = !

" = 1/ tan ,

e

(12)

Quille et voile/aile ayant de bonnes finesses

Planeur ayant une bonne finesse

Imoca

(13)

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

S

β

V

A

V

T

Voilier « lent »

Voilier « rapide »

<latexit sha1_base64="849i1weQcMRzfy05X1k7qJdPxag=">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</latexit>

R = V S

V T < 1

<latexit sha1_base64="HYAPOXe3MaMdlspjKS00QuA2oTw=">AAAC+XicjVHNTtwwGBxS2sL2bwtHLhGrStvLKqlWhQsIwYUjUHZB2qxWjvFuLfInx6lAUV6kt95Qr32BXssLIN6gfYt+NkaCoqp1FGc838zEnx0XiSx1EFzPeY/mHz95urDYevb8xctX7ddLwzKvFBcDnie5Oo5ZKRKZiYGWOhHHhRIsjRNxFJ/umPrRJ6FKmWeH+rwQ45TNMjmVnGmiJu3+wYYfTRXj9XDyoaHpsNkMo6gVlTLrRrHQbFKn7Kx5u3GjCpv6oJm0O0EvsMN/CEIHOnBjL29fIcIJcnBUSCGQQRNOwFDSM0KIAAVxY9TEKULS1gUatMhbkUqQghF7SvOMViPHZrQ2maV1c/pLQq8ip4835MlJpwibv/m2Xtlkw/4tu7aZZm/n9I1dVkqsxkdi/+W7Vf6vz/SiMcW67UFST4VlTHfcpVT2VMzO/TtdaUooiDP4hOqKMLfO23P2rae0vZuzZbb+0yoNa9bcaSv8MrukCw7/vM6HYPiuF77v9ff7na1td9ULWMEqunSfa9jCLvYwoOzP+I4fuPRq74t34X29kXpzzrOMe8P79huQVKRK</latexit>

R = V S

V T > 1 sin( max ) = 1

R

VShip

β

VApp

VTrue

γ

(14)

Vent réel ou apparent ?

V

Ship

β

V

App

V

True

γ

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

(15)

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

(16)

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

a

ε

h

δ

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

(17)

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.

(18)

- 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)

(19)

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)

(20)

Les bateaux volants et les

records de vitesse

(21)

Ils apprennent tous à voler !

Nacra 17 (mixte au prochain JO) ß Mini 6.50

AC 45 -->

Kitefoil (JO 2024)

(22)

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

(23)

A 50 Noeuds, 1

2 ρ

eau

V

S2

≈ 3P

atm

Vitesse de cavitation ou de ventilation

Foils supercavitants

Ventilation sur un « mât » de kitefoil.

(24)

Sailrocket 2

(record du monde à 121 km/h en 2012)

(25)

Record du monde de vitesse à la voile !

121 km/h !

(26)

Plus vite que le vent ?

- Existe-t-il un R max ?

- Le théorème de Lanchester est-il

vraiment une limite ?

(27)

Peut-on naviguer face au

vent ?

(28)

Naviguer face au vent… est-ce possible ?

1920 – Constantin (sur la Seine)

1933 – Lord Brabazon 1980 – Jim Bates

Autogiro, gyrovoile, Archinaute …

Peter Worsley, 2008

(29)

Blackbird, juillet 2010, record à 2.8 fois la vitesse du vent.

Directly downwind, faster than the wind (DDWFTTW)

(30)
(31)

Merci …

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