Cercle de la Voile de Montluçon I/Rappel de mécanique des fluides Aérodynamique Le voilier est placé à la surface de 2 fluides de densité bien différentes: l'air et l'eau. C'est le glissement de ces deux fluides l'un sur l'autre qui donne le mouvement au bateau. 1/Notion de fluides rencontrant un plan Qu'est-ce qu'un fluide? Les fluides, et notamment l'air, sont composés de molécules. Elles possèdent entre elles une force attractive qui les rattache. Leur comportement est collectif. Les fluides se déplacent selon des lignes de courant et ils remplissent les vides. En l'absence de tout obstacle, les fluides s'écoulent librement, les filets sont parallèles. Rencontre avec un plan Lors de la rencontre avec un plan, les molécules se dévient de leur route initiale et les filets ne sont donc plus horizontaux. 2/Description des écoulements Nous avons, en fait, deux types d'écoulement : laminaire et turbulent L'écoulement est turbulent si la plaque est en travers du vent. L'écoulement est laminaire si la plaque est dans l'axe du vent ou pas plus inclinée que 30 par rapport à cet axe (les filets d'air ne se décrochent pas). 3/Effet venturi Aux vitesses qui nous préoccupent, relativement faibles, l'air est incompressible. Aussi lorsqu'un fluide s'écoule entre deux objets, les objets étant intraversables, il se forme un étranglement. Le volume d'étranglement devant rester constant par rapport au flux général, il se produit une accélération du fluide. Cette accélération se fait sentir en amont de l'étranglement et se prolonge en aval. 1 CVM 2013
II/La force aérodynamique (F.A.) Aérodynamique 1/Existence et création de cette force La force aérodynamique, aussi appelée poussée vélique, est la résultante de toutes les forces appliquées par le vent apparent sur les voiles. La force aérodynamique n'existe que s'il y a action de l'air sur la voile. La force aérodynamique est due aussi bien à une pression exercée par le vent dans la voile que par une dépression due au profil de la voile. La plaque d'inertie matérialise une zone virtuelle où à partir d'un certain moment les filets d'air ne sont plus déviés. La force aérodynamique se décompose donc en : - 2/3 de la force due à la dépression sur l'extrados de la voile, - 1/3 de la force due à la pression exercée sur l'intrados de la voile par le vent. Explication pratique : profil d'une aile d'avion, expérience de la cuillère, feuilles sur lesquelles on souffle 2/Point d'application La force aérodynamique s'exerce sur le centre géométrique de l'ensemble des voiles. En général, la force qu'exerce un courant fluide est sensiblement perpendiculaire à ce plan, quelque soit l'angle d'incidence du courant sur ce plan. Cette façon de dessiner n'est qu'une matérialisation visuelle de la force aérodynamique. En effet, la force s'exerce, en réalité, partout sur la voile. 2
3/Angle d'incidence voile/vent (notion du rendement optimal d'une voile) - Corde du profil : segment de droite reliant le bord d'attaque et le bord de fuite. - Angle voile vent (VV) : angle d'incidence formé entre la corde du profil et le vent apparent. - Angle voile bateau (VB) : angle formé entre la corde du profil et l'axe de l'engin. La force aérodynamique n'existe que s'il existe un angle d'incidence voile-vent non nul. Le rendement optimal en navigation est atteint lorsque cet angle vaut environ 15 (dans ce cas, l'écoulement est laminaire). Cette valeur est dépendante du type de la voile et du réglage du creux. Cet angle est, en général, respecté pour les allures de près, travers, largue, mais pas en vent arrière. En fait, la qualité de l' écoulement influence la valeur de la force aérodynamique (sa grandeur est différente suivant l'angle d'incidence). Au vent arrière, l'écoulement est turbulent. 4/Décomposition de la force aérodynamique par rapport au fluide Traînée et portance : L'existence de la traînée est due au frottement provoqué par l' écoulement de l'air sur la voile. Ce frottement est un phénomène qui participe aux résistances à l'avancement. La polaire d'une voile : Pour chaque angle d'incidence, portance et traînée varient modifiant la grandeur de la force aérodynamique. La qualité des écoulements ayant une influence sur la force aérodynamique, suivant la valeur de cet angle, la grandeur de la force aérodynamique sera différente. La courbe polaire montre les variations de la grandeur de la force aérodynamique en fonction de l'angle d'incidence : c'est une courbe de rendement de la voile suivant l'angle d'incidence. 3
5/Décomposition de la force aérodynamique par rapport au déplacement du bateau Composante propulsive, composante de dérive : 6/Réglages de la voile (repères du pratiquant) Le meilleur réglage possible est obtenu lorsque l'angle voile-vent est optimal (15 ) et que la force aérodynamique est orientée le plus possible vers l'avant. Repères de réussite : - Si on ouvre légèrement la voile, le guindant se met à fasseyer, - les pennons doivent être horizontaux (si le penon au vent - intrados - décroche, c'est que l'angle voile/vent est trop petit, la voile n'est donc pas assez bordée). - Respect de la condition de Kutta. 4
III/Éléments issus du milieu qui déterminent la force aérodynamique pour un angle voile-vent donné 1/Les variations du vent réel. Le vent n'est jamais régulier en force et en direction. Les variations vont donc avoir une incidence sur la valeur de la force aérodynamique car elles vont modifier à la fois la valeur et l'orientation du vent apparent. Le vent créant la force aérodynamique est le vent apparent (V.A.) : c'est la combinaison du vent vitesse (V.V) et du vent réel (V.R). Si le Si le vent réel diminue brusquement, on est alors obliger de border (fermer) un peu la voile pour conserver le même angle d'incidence. 2/La mer Ce qui nous intéresse, c'est la surface de la mer (Cf termes utilisés dans l'échelle de Beaufort). Si on rencontre une vague, le vent vitesse va diminuer et on choque (ouvre) la voile. Inversement, lors d'un départ au "surf", on bordera la voile, le vent vitesse ayant brusquement augmenté... 5
IV/Les éléments de la voile influençant la force aérodynamique 1/La surface 2/La forme, la triangulation et l'allongement (Cf nouveauté des profils) L'allongement représente le rapport entre la hauteur de la voile et la surface de celle-ci. Plus l'allongement est important, plus le contrôle du profil en hauteur est meilleur (car on utilise la partie rigide du mât). 3/Le volume (répartition des creux et mesures) "d" est la quantité de creux maximum : c'est la distance entre la corde et la flèche. Le creux détermine l'angle d'attaque à l'avant de la voile et la forme de la chute à l'arrière de la voile. 4/Les réglages de la voile (planche) Les réglages de voile permettent de contrôler le creux de la voile. En effet, en étarquant beaucoup au point d'écoute, cela aplatit la voile donc le creux diminue et la force aérodynamique sera moins importante. Le point d'amure permet de faire varier les tensions de la chute et de pouvoir éventuellement la mollir (Cf cas des chutes molles en planche). Rôle des lattes : - rigidifier les profils, - garder un creux optimal et placé au bon endroit, - obtenir une meilleure répartition du profil (donc un meilleur contrôle de la chute). 6
5/Schéma d'une voile Orientation de la force aérodynamique au près, en modifiant l'angle d'incidence et le creux. Cas du Dériveur léger : La présence de la GV favorise le travail du Foc en créant une adonnante d autant plus forte que la GV est rentrée. La Force vélique est augmentée et avancée par contre la présence du foc est néfaste à la GV en créant une refusante qui peut dans certain cas faire porter le guindant de la GV à contre. La FV est diminuée et reculée 7
Toutes les tensions sont importantes et doivent être effectuées au cm prés. Exemple : pour un fléchissement de 1 cm pour 10m on crée une flèche de 20cm (fléchissement d un tissu fatigué- tension d étai, d écoute, etc ) Réglages de la GV : Réglages du Foc : 8