Comment avance un voilier au près ? La présence imposante des océans et des mers sur notre planète à toujours intrigué les hommes. Dans l’antiquité, ceux-ci ne naviguaient que sur la Mer Méditerranée et le long des continents connus. Il y a longtemps, l’humanité supposait que la terre était plate et que si les marins s’éloignaient des terres, ils arriveraient au bord d’un précipice et ce jusqu’à la découverte de Galilée en « … » qui avançait que la terre était ronde. A partir de ce moment, les hommes cherchèrent à perfectionner l’art de la navigation pour explorer le reste de la planète, ce qui donna lieu à la fabrication de nombreux bateaux de voyage ( nommés aussi longue distance). On peut citer : la caravelle, les différents trois mâts, « … » (trouver d’autres exemples). Ainsi du radeau de papyrus égyptien au trimaran en matériaux composites, les bateaux mus par la force du vent ont depuis toujours inspirés les concepteurs navals. De plus on a pu observer une évolution des coques et des gréements* (à définir) en fonction des bateaux pour bénéficier d’une vitesse plus importante. Ainsi, au fil des âges, des technologies et des sciences de plus en plus perfectionnées sont apparus. Les architectes navals ont donc appris à développer des voiles et des bateaux permettant de naviguer au près, c’est à dire en remontant le vent. (A partir de la j’ai improvisé l’annonce du plan donc c’est conseillé de modifié et d’en faire part aux autres. Dimitri) Nous allons donc étudier à travers notre exposer comme l’explicite notre sujet : comment avance un voilier au près, c’est à dire lorsque le vent vient de face en formant un angle d’incidence de 30° environ avec le voilier. Pour répondre à notre problématique nous allons étudier les différents phénomènes qui se produisent lorsque le bateau avance ; mais pour cela il faut savoir comment le bateau flotte lorsqu’il n’est pas en mouvement. C’est pourquoi nous étudierons le phénomène qui permet la flottaison du bateau. Ensuite, nous étudierons les forces aérodynamiques qui s’appliquent à une partie du bateau : la voile, dans deux cas différents que nous définirons : en écoulement turbulent et laminaire. Par la suite nous travaillerons sur les forces hydrodynamiques s’appliquant au système voilier/voile/quille lorsque le voilier avance au près. (… to be continue ^^) « Image à mettre en illustration »

I- Comment flotte un bateau ? Situons tout d’abord un bateau ; celui-ci se trouve sur l’eau et il flotte. Mais comment cela est-ce possible? Pour tenter d’expliquer ce phénomène, les physiciens ont inventer il y a longtemps une loi : le principe d’Archimède. Celui-ci dis que tout corps partiellement ou totalement immergé dans un fluide subit des forces de pression équivalentes à une force unique appelée « poussée ». Cette poussée, verticale et dirigée de bas en haut, est de valeur égale au poids du fluide déplacé. Elle permet donc d’empêcher le bateau de s’enfoncer dans l’eau et de couler. De plus on peut dire qu’un corps flotte si sa densité moyenne est inférieure à celle de l'eau : plus la densité de l’eau est élevée comme dans la Mer Morte plus il devient facile de flotter. A l’inverse, lorsque l’eau est douce et donc que sa densité est plus faible que la moyenne, il devient plus facile de couler. Pour vérifier cette loi, prenons l’exemple d’un homme totalement immergé dans l’eau d’une piscine. Dans ce cas le poids de l'eau que l’homme déplace, et donc la poussée qu'il subit, est plus grande que son propre poids ; il remonte alors vers la surface jusqu'à ce que le poids de l'eau déplacée soit égal au poids de celui-ci ce qui vérifie le principe d’Archimède.

II- Forces aérodynamiques Au prés, tout est une histoire d’équilibre. Nous allons décortiquer chacune des forces s’appliquant sur le voilier lorsque celui-ci remonte le vent. Nous allons dans cette première partie étudier les forces qui s’appliquent sur les voiles. Notre système sera donc la voile et nous nous placerons dans un référentiel terrestre, supposé galiléen. Nous utiliserons un angle d’incidence  (angle formé par l’axe du vent et la corde de la voile) d’environ 45°. L'origine de l'énergie propulsive d'un voilier est la transformation par les voiles de l'énergie cinétique du vent. La force de traînée : C’est une force universelle. La traînée est la force de résistance qu'exerce un fluide sur un objet lorsque le fluide ou l'objet sont en mouvement l'un par rapport à l'autre. Cette force est parallèle et de direction opposée à la trajectoire du fluide.Ainsi la traînée peut être à caractère moteur ou résistant : si le mouvement du fluide est dans le même sens que le mouvement du corps la force favorise le mouvement. Au contraire, si le mouvement du fluide est dans le sens opposé au mouvement du corps alors celle-ci à un effet résistant. Dans notre étude, c'est la force qui s'oppose au mouvement de la voile et a donc un effet résistant. Celle-ci est toujours dans le sens du vent. Par exemple un drapeau flotte toujours dans le sens du vent grâce à la traînée. Elle est due en partie au caractère visqueux de l'air dont les molécules accrochent la voile.

La force de portance : Nous savons qu’il existe une force toujours perpendiculaire à cette force de traînée que l’on nomme force de portance. Elle est due à l’écoulement des filets d’air dans la voile. Dans notre étude, c’est à dire quand le vent forme avec la corde de la voile un angle entre 25 et 50°, lorsque que ces filets d’air arrivent sur la voile en un point de séparation (voir photo) ils ont le choix entre deux trajets : passer a l’intrados de la voile ou à l’extrados, en suivant la courbe de la voile. Cette situation est appelée « écoulement laminaire ». En effet, l'air contournant la voile par l’extrados, c’est à dire par le haut, a plus de chemin à parcourir que l'air contournant par l’intrados. Or l’équation du physicien Bernoulli précise ceci a quelques facteurs près : vitesse * pression = constante. Les filets qui ont empruntés un chemin différent doivent arrivés en même temps au bout de la voile pour qu’il existe une continuité dans le déplacement du fluide. Cela implique que les filets d’air qui ont empruntés le chemin A (extrados) doivent augmenter leur vitesse par rapport aux filets d’air qui ont emprunté le chemin B (intrados). On a donc, pour l’extrados, la vitesse du fluide qui augmente, ce qui entraîne d’après l’équation de Bernoulli une diminution de la pression et inversement pour l’intrados, c’est à dire une diminution de la vitesse et une augmentation de la pression d’après l’équation de Bernoulli. Cette dépression a l’extrados va non pas « porter » la voile comme le cas d’une aile d’avion, mais plutôt la « tirer » ou aspirer a peu près perpendiculairement au sens de déplacement du fluide. Au contraire, la surpression a l’intrados pousse la voile, elle est donc sollicitée des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions. Environ 2/3 de dépression pour 1/3 de surpression forme la portance, c'est donc les particules d'air qui passent à l’extrados qui, en grande partie, tirent la voile! 2) 1)

A titre indicatif : Le mouvement d'un fluide tel que l'eau ou l’air est qualifié d'écoulement turbulent lorsqu'il se poursuit de façon désordonnée, comme si les parcelles de fluide s'écartaient du courant moyen dans des directions et avec des vitesses apparemment indifférentes à toutes données préférentielles de temps ou d'espace : les molécules du fluide suivent alors des trajectoires complexes où les vitesses subissent des variations marquées et comportent une forte composante dans la direction perpendiculaire au courant moyen, de sorte que les couches de fluide soumises à un tel mouvement ont tendance à se mélanger énergiquement. Dans le cas de notre voilier, un écoulement turbulent apparaît lorsque le vent arrive à un angle de 90 ° par rapport à la voile, ainsi le vent ne suit pas une trajectoire prédéfini comme dans le cas du près. Il s’engouffre dans la partie de la voile disponible et ne se divise pas en deux parties. De ce fait il y a une perte d’énergie car une partie des filets d’air passent à coté de la voilure et forme des tourbillons (voir photo), ce qui diminue la force vélique. On va donc moins vite avec le vent dans le dos que lorsque que l’on remonte le vent, ce qui détruit une idée recue. En effet, il existe un angle d’incidence (aux alentours de 50°) où l’écoulement n’est plus laminaire et où les filets d’air décrochent, ne parvenant plus a suivre la courbure de la voile. Dans le cas d’un écoulement turbulent, on ne parle plus de portance et de traînée mais de force propulsive vers l’avant. La force vélique : Elle est la résultante des forces aérodynamiques, c’est à dire la somme vectorielle de la traînée et de la portance, Elle est toujours perpendiculaire à la corde de la voile. Tout le jeu du marin sera de diminuer au maximum la traînée et d’augmenter la portance pour créer une force vélique avantageuse, c’est à dire le plus vers l’avant possible. « Schéma a mettre avec traînée + portance pointillé et force vélique trait plein »

III- Forces hydrodynamiques Maintenant que nous avons expliqué les forces s’appliquant sur la voile, nous la plaçons maintenant sur un voilier. Par l’intermédiaire du gréement, les forces précédemment étudiées vont aussi s’appliquer au bateau. Cela va entraîner des problèmes que les hommes réussiront à surmonter pour pouvoir naviguer à toutes les allures. En effet, la résultante des forces aérodynamiques, c’est à dire la force vélique, peut être re-décomposée en force de propulsion dans l’axe du bateau et en force de dérive perpendiculaire à l’axe du bateau. Le système étudiée est donc désormais le bateau plus la voile toujours dans un référentiel terrestre, supposé galiléen.

La force anti-dérive : Nous voyons bien que le voilier avance au près grâce à la force propulsive mais la force de dérive tend à le faire dériver. C’est alors que les hommes ont eu une idée de génie. Ils ont alors créé une dérive (ou une quille)et un safran dont les dessins sont symétriques suivant l’axe longitudinal du bateau ; excepté au vent arrière ou la force vélique est dans le sens de la marche, pour que le bateau ne parte pas en crabe, il nous faut ce plan antidérive. Parfaitement dans l’axe de déplacement de l’écoulement, ces appendices symétriques développent des déviations symétriques elles aussi. Les pressions sont équilibrées de part et d’autre. Dans ce cas, il ne se développe aucune force utile ; seule une traînée de friction néfaste se manifeste. Il en vint ainsi au vent arrière. En revanche, si ces plans se présentent un angle d’incidence (angle de dérive) dans l’écoulement, leur travail, désaxé, se rapproche de celui des voiles. Il faut très peu d’angle (2 ou 3°) pour qu’une portance se développe, l’eau étant beaucoup plus dense que l’air. Le bateau ayant tendance à dériver sous le vent, le courant attaque la quille sur cette face. On y trouve des surpressions alors que des basses pressions se développent dans un courant accéléré « au vent » (voir schéma). On remarque qu’il se passe le même phénomène que dans la voile mais a l’opposé : basse pression au vent, surpression sous le vent. Mais il se crée aussi une portance et la traînée et bien sur toujours la, l’eau étant un fluide. La résultante de ces deux forces est la force anti-dérive, qui compense la force de dérive et cale le voilier sur son axe. Il faut donc que le voilier dérive un petit peu (quelques degré) pour créer une portance et pour qu’il ne dérive pas, ce qui est paradoxal mais très logique.

La force de résistance : C’est la résultante des forces qui s’opposent au mouvement du bateau. Elles augmentent bien sur quand la vitesse du bateau augmente. On trouve deux grands types de résistances. La résistance de vagues : lorsque l’eau passe au-delà d’un obstacle, les molécules d’eau de leur trajet initial et contourner l’obstacle. Le bateau doit donc déplacer un volume d’eau ce qui le ralentit considérablement. Plus cette déviation est grande, plus les résistances sont grandes. C’est de cette résistance que viennent les vagues qui tapent sur la proue du bateau. C’est pour cela que les architectes navals dessinent des bateaux avec le moins possible de surface immergée, ou surface « mouillée », pour qu’il y ait moins d’eau à déplacer et que la déviation soit la plus petite possible. La résistance de frottements : lorsque l’eau est en contact avec la coque du bateau,qui est une surface rugueuse, il y a bien sur des frottements. Ceux-ci ralentissent aussi l’avancement du bateau. Limitée la surface mouillée va bien sur dans le sens d’une diminution de ces frottements mais les marins professionnels veulent en permanence avoir une coque la plus lisse possible, c’est à dire la moins rugueuse. Pour cela, ils servent de produits spéciaux. La résultante de toutes ces résistances est donc opposé à la force de propulsion et va petit à petit la compenser.

Bilan des forces et équilibre : Le système voilier/voile est donc soumis 5 forces : - Son poids; - La réaction de l’eau ou poussée d’Archimède; - La force du vent dans les voiles ou forces aérodynamique, décomposée en force propulsive et force de dérive; - La force de l’eau sur les appendices ou force anti-dérive; - La force de résistance de l’eau sur la carène. On remarque alors que la poussée d’Archimède compense le poids et permet au bateau de flotter, que la force anti-dérive compense la force de dérive et permet au bateau de ne pas partir en crabe. On remarque aussi que lorsque la force propulsive et que la force de résistance ont la même valeur,  la somme des forces qui sont appliquées au voilier est nulle, donc que, d’après la première loi de Newton, le voilier a un mouvement rectiligne uniforme. Il a donc à ce moment la atteint une vitesse maximum et n’accélère plus, d’où l’immense intérêt de diminuer le plus possible les forces de résistance pour que le voilier accélère plus longtemps. Lorsque toutes les forces se compensent, le voilier est en équilibre et remonte le vent à environ 30° pour les plus performants.