Voile de haute performance
Alors que les bateaux à glace ont été capables de dépasser la vitesse du vent, au vent comme au portant pendant un siècle, cette capacité n’est devenue courante qu’avec l’évolution des Skiffs de 18 pieds dans le troisième quart du XXe siècle, lorsque leur vitesse a triplé par rapport à celle des années 1950. Les bateaux qui naviguent plus vite que la vitesse du vent, au vent comme au près, sont capables de virer de bord au vent car le vent apparent est toujours devant le mât. Cela a conduit au concept de « voile à vent apparent ».
Vent apparentEdit
Le vent apparent est la vitesse du vent (direction et vitesse), VA, mesurée à bord d’une embarcation à voile en mouvement ; c’est l’effet net (somme vectorielle) du vent du bateau, VB – le flux d’air sur l’embarcation induit par sa vitesse sur la terre (égal en magnitude, mais opposé en direction à la vitesse de l’embarcation) – et du vent réel, VT. Le vent apparent mesuré à bord d’une embarcation à moteur, se déplaçant dans des conditions calmes, VT = 0 nœud, proviendrait directement de l’avant et à une vitesse identique à celle du bateau au-dessus du fond (VA = VB + 0 = VB). Si le bateau se déplace à VB = 10 nœuds avec un vent arrière de VT = -5 nœuds, il subit un vent apparent de VA = 5 nœuds directement sur l’étrave (VA = VB + VT = 10 – 5). Le vent apparent que subit un bateau immobile est la vitesse réelle du vent. Si un bateau se déplace à 90° par rapport à un vent réel de VT = 10 nœuds, lui-même se déplaçant à une vitesse induisant VB = 10 nœuds, alors l’angle du vent apparent sera de 45° par rapport à la proue et la vitesse du vent apparent sera d’environ 14 nœuds, calculée comme suit : racine carrée = racine carrée = 14,14. Comme l’embarcation devient plus rapide que le vent réel, le vent apparent est toujours devant la voile.
Lorsque l’angle de traînée de la coque est négligeable, les formules pour calculer VA et β sont :
- VA = racine carrée {2 + 2}
- β = 90° – arctan { / }
Puissance des voilesModifier
Une voile génère une portance avec une composante propulsive vers l’avant et une composante latérale, sur la base d’un angle d’attaque optimal qui est contraint par le vent apparent, VA, se trouvant devant et approximativement aligné avec la voile.
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Décomposition de la force du vent agissant sur une voile, générant une portance.
(FT = Force aérodynamique totale, L = Portance
D =Drag, α = angle d’attaque) -
Conversion de la portance en propulsion.
(FR = Force propulsive, FLAT = Force latérale)
Théorème de BetaEdit
Garrett présente le théorème bêta (ou théorème du cap) comme un moyen de comprendre comment l’angle du vent apparent résulte de l’interaction entre la force motrice du vent et la force résistante de l’eau (ou de la surface dure), résultat de l’effet net de deux foils antagonistes, la voile dans l’air et la quille dans l’eau. Lorsque l’on résout le rapport de la portance à la traînée pour chacun dans son milieu, le mouvement résultant de l’engin à voile se résume à un angle, bêta (β), entre le vent apparent et le cap sur l’eau. La coque (sous l’eau) et le gréement (au-dessus de l’eau) ont chacun un angle de traînée par rapport au milieu qui passe devant eux (eau ou air), ils sont λ et αm dans le schéma ci-joint. La somme de ces deux angles de traînée est égale à β, l’angle entre le vent apparent et le cap suivi (β = λ + αm). Ce théorème s’applique pour chaque point de la voile. Un petit β dénote un rendement élevé et un potentiel de vitesse élevé. Au fur et à mesure que la vitesse vers l’avant augmente, β devient plus petit ; sur les engins à voile avec des foils sous-marins efficaces, l’angle de traînée de la coque, λ, devient plus petit avec l’augmentation de la vitesse, il devient négligeable avec les engins à hydrofoils, et essentiellement inexistant pour les bateaux à glace et les engins à voile terrestres.
Limite de l’angle de vent apparentEdit
Dans une circonstance idéale d’une surface sans frottement et d’un profil aérodynamique pouvant développer de la puissance, il n’y a pas de limite théorique à la vitesse à laquelle un engin à voile peut se déplacer au large du vent lorsque l’angle de vent apparent devient de plus en plus petit. En réalité, l’efficacité de la voile et le frottement constituent tous deux une limite supérieure. La vitesse est déterminée par le rapport entre la puissance développée par la voile et la puissance perdue par les différentes formes de traînée (par exemple, la traînée de surface et la traînée aérodynamique). Idéalement, une voile plus petite est préférable, car la vitesse augmente. Malheureusement, une petite voile réduit la capacité d’un bateau, même un bateau à glace, à atteindre des vitesses supérieures à celles du vent. La principale limite à la vitesse des voiliers à haute performance est la traînée de forme. Les efforts déployés pour surmonter cette limite sont évidents dans les coques profilées des bateaux à glace de haute performance et dans les améliorations apportées à la réduction de la traînée sur les dériveurs planants. Un bateau à glace rapide peut atteindre un vent apparent de 7,5° et une vitesse six fois supérieure à la vitesse du vent réel sur un parcours à 135° du vent. Bethwaite suggère que cela pourrait être une limite pratique pour une embarcation propulsée par des voiles.
Point de voileEdit
Les points de voile auxquels les embarcations à voile à haute performance peuvent atteindre les vitesses les plus élevées et atteindre la meilleure vitesse rendue bonne sur une portée de parcours entre un vent de travers (90° par rapport au vent réel) et un vent large (environ 135° loin du vent réel). Selon Bethwaite, ayant effectué des mesures comparatives dans un vent réel de 15 nœuds (28 km/h ; 17 mph), un Soling à déplacement peut atteindre des vitesses légèrement supérieures au vent réel et naviguer à 30° du vent apparent, alors qu’un Skiff 18 pieds planant atteint des vitesses de près de 30 nœuds (56 km/h ; 35 mph) avec un vent apparent de 20° et qu’un bateau à glace peut atteindre 67 nœuds (124 km/h ; 77 mph) avec un vent apparent de 8°.
Dans le cadre de la navigation par vent apparent, l’objectif est de maintenir le vent apparent aussi loin vers l’avant, que possible, pour le parcours effectué afin d’atteindre la trajectoire la plus rapide rendue bonne à l’objectif. Cela nécessite un bateau qui peut dépasser la vitesse du vent réel, tant au vent qu’au vent arrière, ce qui permet au vent apparent de rester bien en avant de la voile sur les parcours effectués, dont les plus rapides sont les bords de mer. Il faut éviter de se diriger trop loin sous le vent, où le vent apparent se déplace derrière la voile et où la vitesse chute en dessous de la vitesse réelle du vent lorsque le parcours tend à passer d’un large reaching à un carré courant (vent mort).
UpwindEdit
Selon l’embarcation naviguée, le parcours réalisé face au vent peut tendre à s’éloigner de son point le plus proche du vent afin de permettre à l’embarcation de naviguer à une vitesse optimale. Bethwaite explique que la navigation à grande vitesse exige une action indépendante à la fois de la barre et de l’écoute principale, ce qui fait que la personne à la barre évite de répondre aux rafales et, au contraire, détend l’écoute principale selon les besoins, augmentant ainsi la vitesse rendue du bateau par rapport à la technique précédente qui consistait à pointer l’embarcation davantage dans le vent.
Au large du ventEdit
Selon Bethwaite, naviguer au large du vent réel à des vitesses plus rapides que le vent (avec le vent apparent en avant de la voile) exige une réaction aux rafales différente de celle employée précédemment. Alors qu’un marin traditionnel pourrait, par réflexe, se diriger vers le vent apparent en cas de rafale, la réaction correcte lorsqu’on navigue au large, à une vitesse supérieure à celle du vent réel, est de s’écarter de la rafale et de se diriger vers le vent arrière. Cela a le double effet bénéfique de soulager la force de gîte de la rafale et de permettre à l’embarcation de naviguer encore plus vite au large du vent.