TSF : Quelques notions pour comprendre le fonctionnement d’un bateau

Terminologie

  • Centre de carène : Cc, point d’application de la poussée d’Archimède ou force de Sustentation S
  • centre de gravité : Cg, point d’application du Poids P
  • Centre de dérive : Cd, centre d’application des résultantes des portances des œuvres vives et des appendices dans l’eau, force Hydrodynamique, Fh
  • Centre de voilure : Cv, point d’application de la résultante des forces de portance de la voiles ( ou des voiles), force Aérodynamique, Fa

Petit rappel de physique simple

  • Force : c’est l’énergie qui s’applique en un point précis. Elle est définie par quatre facteurs : son point d’application, son orientation, sa direction et son intensité. On la représente par un vecteur (une flèche), dont l’origine se trouve au point d’application, dont l’orientation et le direction sont celles de la force et dont la longueur est proportionnelle à l’intensité.
    Toute force peut être décomposée en la somme de deux autres forces de direction arbitraire qui s’appliquent au même point. L’intensité de ces deux forces peut être déterminée graphiquement par « la règle du parallélogramme ».
  • Moment : Lorsqu’une force s’applique sur un solide ayant un point fixe formant « un bras de levier », elle est multipliée par la longueur du bras. On parle de MOMENT de la force par rapport au point d’appui du levier.
  • Couple : il est constitué par deux MOMENTS de direction différentes qui s’appliquent au même solide. L’effet de couple s’annule lorsque les deux forces sont alignées.

Notions pour les bateaux

Principe du bateau à voile

Les forces à l’arrêt

Force sur la coque

Forces à l'arrêtLa coque du bateau immobile subi deux forces exercées de bas en haut : le poids, P, qui s’applique au centre de gravité, Cg, et la poussée d’Archimède, S, qui s’exerce au centre de carène Cc, et qui le fait flotter. La poussée d’Archimède est verticale, s’exerce du bas vers le haut et à une intensité égale au poids du volume d’eau déplacé.

Les forces du mouvement

Un bateau se déplace dans l’air et dans l’eau. Il subit l’action du vent sur sa voilure et l’action de l’eau sur sa coque.
Forces en mouvement

Force sur la voile

Le vent induit dans une voile une force, dite Force Aérodynamique, Fa, qui peut être décomposée en deux forces, l’une orientée vers l’avant, force de Propulsion, Fp, l’autre, perpendiculaire à l’axe du bateau, de Dérive, Fd.
Ces forces s’appliquent au centre de voilure Cv de la voile. Lorsqu’il y a plusieurs voiles, chaque voile crée une force vélique qui se combine avec celle des autres voiles. On peut déterminer une force vélique résultante qui s’applique au centre de voilure combiné du bateau.

Force sur la coque et les appendices

La coque en mouvement subit des forces de résistance au déplacement : la force hydrodynamique, Fh, qui s’applique au centre de carène, Cc, dont la position dépend de la configuration de la coque dans l’eau (forme de la coque, de la dérive, gite, assiette, etc…). Cette force se décompose en deux résultantes, une résistance à l’avancement, ou « trainée » Ft et une résistance à la dérive, ou « portance » Fp.
Les forces hydrodynamiques (dans l’eau) et les forces aérodynamiques (dans l’air) s’équilibrent lorsque le bateau avance avec une vitesse régulière. S’il y a déséquilibre entre les forces, la vitesse, l’assiette ou la direction de déplacement se modifient.
C’est forces créent des couples qui auront pour effet de provoquer des rotations du bateau : rotation autour d’un axe longitudinal, la gite et rotation autour d’un axe vertical, l’auloffée ou l’abattée.

Un peu de physique

C’est le physicien suisse Daniel BERNOUILLI qui a expliqué, en 1738, comment fonctionne une voile. Le principe de Bernouilli permet de faire voler des avions ou des cerfs-volants et de faire avancer des voiliers.
Il a montré que lorsque les filets d’air sont déviés par une voile, ils vont plus vite le long de la face extérieure (extrados) que de la face intérieure (intrados) de la voile, ce qui crée une forte dépression derrière la voile et une surpression sur l’intrados. Il en résulte une force importante, dite force de Bernouilli, ou Force Vélique, qui s’applique selon une direction perpendiculaire à la corde de l’arc formé par le creux de la voile.
L’intensité de cette force est proportionnelle à la surface de la voilure, au carré de la vitesse du vent, et à un facteur qui dépend de la forme de la voile, ainsi qu’à la densité de l’air.
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Notions bateau
Cette force peut se décomposer en deux forces selon deux directions intéressantes : la portance (vers le haut) et la traînée (vers l’arrière) pour une aile d’avion ou la propulsion (vers l’avant du bateau) et la dérive (vers le coté) pour une voile de bateau.
BERNOUILLI
Selon le principe de Bernouilli, la voile fonctionne en « régime laminaire », lorsqu‘elle attaque les filets d’air sous un angle d’incidence faible, et lorsque la vitesse du vent n’est pas trop grande. Si l’angle d’incidence devient trop grand ou si le vent est trop fort, les filets d’air le long de l’extrados ne suivent plus la courbure de la voile, et décrochent pour former des tourbillons qui suppriment totalement la dépression derrière la voile. Il ne reste plus que la surpression sur l’intrados de la voile, et la force vélique diminue donc beaucoup. La voile fonctionne alors en « régime turbulent » et devient très inefficace.

La dérive se comporte dans l’eau en mouvement comme la voile dans l’air en mouvement. Sans vitesse, ou sans plan de dérive, le vent crée une force qui fait dériver le bateau qui marche alors en crabe. Dès que le bateau avance, l’eau attaque la dérive ou la quille avec une incidence et crée une force « de Bernouilli » qui tire la coque au vent (en créant aussi un couple qui fait gîter le bateau !), à condition d’un écoulement laminaire de l’eau le long de la dérive.
Forces
Le safran se comporte comme un plan de dérive orientable. Petits angles de barre égale grande force de Bernouilli latérale, donc grand effet directif. Grand angle de barre égale effet directif quasi nul. Fonctionnement en régime turbulent (voir les tourbillons derrière le safran ! !) avec effet de frein maximum.

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