Aérodynamique d’une voile de Windsurf
Depuis les voiles triangulaires en Dacron difforme des années 80, du chemin a été parcouru par les fabricants pour les stabiliser, les alléger et en optimiser la portance. Aujourd’hui, les voiles de windsurf sont profilées comme des ailes d’avions, construites dans un matériaux rigide mais déformant et transparent : le monofilm, et permettent aux windsurfers de réaliser des sauts vertigineux à plus de 10 mètres de haut ou encore d’atteindre des vitesses folles comme les chronos réalisés sur le canal de Luderitz avec Patrick Diethelm passant la barre des 50 nœuds (92,6 km/h) à plusieurs reprises avec sa voile de Slalom Ultimate. Quelle est la science derrière tout ça ?
Rappel de Physique
Commençons par un rapide rappel de mécanique des fluides.
Fluide rencontrant un plan :
La voile interagit avec l’air, un fluide dont les molécules possèdent entre elles une force attractive qui les rattache.
En l’absence d’obstacle, ce fluide se déplace selon des filets parallèles. Lorsqu’il rencontre un plan, ses molécules se dévient de leur trajectoire initiale et ses filets ne sont plus horizontaux.
Les écoulements (flux) :
Il en existe deux types : les écoulements laminaires et les écoulement turbulents.
On dit d’un écoulement qu’il est laminaire si il est régulier autour d’un objet et si sa vitesse est constante en un point donné de l’espace.
Un écoulement est turbulent si il est irrégulier et variable en butant sur un objet ayant une mauvaise pénétration.
Un flux laminaire génère une traînée presque nulle contrairement à un flux turbulent.
Effet Venturi
A des vitesses peu élevées, un fluide est incompressible.
Si un fluide en mouvement rencontre un étranglement, sa vitesse augmente afin de garder le même débit avant, pendant et après l’étranglement.
Si ce fluide en mouvement doit contourner un objet et que le régime reste laminaire au contact de l’objet, le même processus a lieu.
Sur un schéma représentant l’évolution du flux, un rapprochement des lignes de courant signifie une accélération du flux.
La pression exercée sur un objet dans un fluide est le résultat des chocs des particules du fluide contre les parois de cet objet.
Ainsi, si la vitesse du fluide augmente, les chocs des particules contre les parois seront moins fréquents, ayant pour conséquence une baisse de pression sur l’objet.
Au contraire, si la vitesse diminue, la pression sur l’objet s’élève.
Forces aérodynamiques
Comme vous l’aurez sûrement déjà compris, une voile de planche à voile fonctionne de la même façon qu’une aile d’avion.
La force aérodynamique que la voile crée s’exerce sur le centre de poussée vélique et perpendiculairement à celui-ci.
Ce centre de poussée vélique se situe, pour la planche à voile, un peu plus bas que le centre géométrique de la voile.
Portance
Une plaque profilée ou volante est une plaque dont on a étudié le profil pour qu’elle génère une portance, aussi appelée poussée vélique.
Sur une plaque profilée, le chemin que le fluide doit parcourir sur l’extrados est plus long que sur l’intrados.
En supposant que la vitesse reste constante, cette différence de longueur aurait pour conséquence une variation du débit entre l’extrados et l’intrados.
Mais ceci n’étant pas possible, la vitesse du fluide augmente sur l’extrados et diminue parfois sur l’intrados, ce qui crée une dépression sur l’extrados et une surpression sur l’intrados.
Nous obtenons ainsi une force résultante dirigée vers le haut : c’est la poussée vélique.
L’écoulement du fluide à basse vitesse ne génère pas beaucoup de portance car le fluide peut rapidement entourer le bord de fuite et ainsi compenser la différence de longueur.
Si la vitesse du flux est plus importante, le fluide ne pourra plus compenser cette différence de cette manière. Il se crée une portance.
Derrière une voile ou une aile se crée une couche tourbillonnaire générant une traînée.
Ce qu’il faut aussi savoir, c’est que la portance est directement proportionnelle à la surface de la plaque profilée.
LA POUSSEE VELIQUE DEPEND :
1/de l’angle voile / vent : il est généralement admis que la meilleur force de portance est obtenue avec un angle d’environ 20°.
2/ de la surface de la voile : elle est proportionnelle à la surface de la voile. Si la surface est divisée par deux, la poussée vélique est divisée par deux.
3/ de la force du vent : elle est proportionnelle au carré de la vitesse du vent.
4/ de l’allongement de la voile (allongement = 2xhauteur / bordure). Pour une voile Marconi d’allongement de 6, le décrochage se produit pour un angle plus faible de 15°.
5/ du creux de la voile : Plus le creux est profond, plus la poussée vélique est importante.
D’autre part la position du creux est importante. La force aérodynamique étant plus important au guindant, un creux situé dans le premier tiers donne une force plus importante et mieux orientée.
Sa décomposition :
Poussée Vélique (PV) = Force Propulsive ( // à la route suivie) + Force de dérive ( à la route suivie)
Trainée
Il y a la traînée de profil, la traînée induite et la traînée de forme.
La traînée de profil est due à la couche limite, aux écoulements turbulents et tourbillonnaires sur l’extrados ainsi que les différents frottements de l’air visqueux sur la surface de la voile.
La traînée induite, elle est le résultat de l’écoulement, en bout de voile, de la surpression (intrados) vers la dépression (extrados). Cette traînée est d’autant plus grande que la différence de pression est grande. Ce déplacement d’air forme alors une traînée tourbillonnaire que l’on voit aux extrémités de la voile, et que l’on appelle « vortex ».
Conclusion :
On comprend ainsi l’importance de la voile dans la recherche de vitesse maximale et que des vitesses élevées impliquent une multitude de facteurs hydrodynamiques . En effet, en plus d’être un moteur, le gréement génère également une trainée qui rentre en compte dans les performances maximales d’une planche à voile.
Dépasser les 50kt dépend donc de l’adéquation parfaite entre poussée vélique et trainée de profil/ trainée induite.
La voile n’est cependant pas le seul élément qui compte dans la recherche de vitesse maximale, aller très vite demande aussi étudier attentivement l’hydrodynamique de la planche et de l’aileron, sans oublier les performances du pilote qui reste le maillon le plus important dans cette machine !
