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topo : l’écoulement laminaire

Article publié le lundi 1er octobre 2007 par 6real
Mis à jour le dimanche 13 janvier 2008
Pourquoi un bateau avance au vent arrière ? au près ?

Chapeau

Dans ce petit topo, on évite soigneusement d’employer des termes techniques et on essaye d’illustrer notre propos par un tas de petits schémas, Ceux qui veulent un topo plus savant trouveront sans peine de quoi les satisfaire , en particulier dans les ouvrages de Bertrand Chéret et Marcel Oliver

Propulsion par la Traînée au portant

Dans ce petit topo, on évite soigneusement d’employer des termes techniques et on essaye d’illustrer notre propos par un tas de petits schémas, Ceux qui veulent un topo plus savant trouveront sans peine de quoi les satisfaire , en particulier dans les ouvrages de Bertrand Chéret et Marcel Oliver

On a cependant besoin de quelques connaissances au préalable, les Prérequis : A quoi sert la voile ? A quoi sert la dérive ?

Depuis longtemps, on sait naviguer sur des allures portantes (autrement dit le vent arrière, et le Grand largue,…).Mais ce n’est que récemment que l’on peut remonter au vent (Christophe Colomb voyageais au portant !)

Le vent arrière : le vent s’engouffre dans la voile et le frottement de l’air contre la voile (trainée de forme + Trainée de friction) créé une pression dans la voile qui fait avancer le bateau.

Au près, cette force de propulsion est très faible. C’est donc en fait une sorte d’aspiration provoquée par une dépression en avant des voiles qui fait avancer le bateau. En pratique, les marins se servent de cette originalité depuis longtemps, mais c’est seulement depuis une génération qu’on a compris ce qui se passe.

Explication !

Pression…

L’air est constitué de molécules en mouvement. ’est pourquoi on considère l’air comme un fluide.

Ici on regarde une surface plane (feuille ou voile) représentée ci-dessous par un trait vertical : les molécules tapent sur la feuille. les forces exercées par les molécules de la zone A sont égales a celle exercées par la zone B.

…et dépression

Si on veut faire bouger la feuille vers B, on doit supprimer la pression exercé par les molécule de la zone B. Le moyen qui vient tout de suite à l’esprit, c’est de faire le vide en B.

Comment faire pour éliminer la pression en B, sans faire de vide, pour faire bouger la feuille ?

- loi de Bernouilli

Comme on ne dispose pas sur l’eau d’un aspirateur géant pour éliminer les molécules, on va ordonner le mouvement des molécules dans la zone B pour qu’ils n’exercent plus de pression sur la feuille.

On applique pour cela la loi de Bernouilli :

Pression constante= pression locale+pression dynamique

Plus les particules vont vite plus le mouvement est homogène et plus la pression dynamique est importante, mais parallèle à la feuille et moins il y a de pression statique (locale).

On peut démontrer le phénomène en soufflant sur une feuille arrondie ou en passant le dos d’une cuillère sous un robinet. Dans les deux cas le flux d’eau attire l’objet vers lui. Que se passe-t-il ?

Il suffit de faire circuler l’air plus vite dans B que dans A pour obtenir une dépression du coté B. Cette dépression provoquera une surpression du côté de A, et l’objet (la feuille ou la cuillère) tendront à se déplacer de A vers B. (Dans le schéma ci-joint, on figure la vitesse plus ou pmoins rapide du déplacement des molécules par des flèches plus ou moins grandes)

A partir d’un vent constant et uniforme, comment faire pour que les particules aillent plus vite en A que en B ?

L’Effet Venturi :

Si on réduit l’espace d’écoulement des molécules d’un fluide, elles accélèrent !! C’est le « principe de continuité » Ex : un tuyau d’arrosage ! Si on le rétrécit en diminuant la section du tuyau à son extrémité, alors que la quantité d’eau qui s’écoule est constante, la vitesse d’écoulement de l’eau augmente. Le jet d’eau porte plus loin.

Evidemment l’effet inverse se produit aussi : si on agrandit la section du tuyau alors que la quantité d’eau qui s’écoule est constante, les molécules du fluide ralentissent.Le jet d’eau porte moins loin.

Dans le schéma ci-contre, on caractérise toujours la vitesse des particules par la longueur des flèches. Le trait continu figure le profil d’une voile.

Le couloir produit par le cadre est naturellement présent dans la nature par le reste de l’air qui circule dans l’environnement du bateau. Donc, en donnant une forme à ma feuille par sa cambrure, je peux la déplacer. C’est la portance (le même principe que pour les avions). Plus on augmente le creux (la cambrure), plus la vitesse de A est élevé par rapport à B, plus la dépression est importante, et plus la force exercé sur la voile est importante.

2eme schéma d’explication possible :

Comme la nature a horreur du vide, la particule A arrive en même temps que la molécule B au bout de la voile (ou la feuille, ou l’aile d’avion) en ayant parcourus un chemin plus important, elle a donc accéléré et a créé une dépression sur la partie supérieur de la voile.

Donc, c’est le passage de l’air dans/sur le creux de la voile qui créé une dépression ; mais pourquoi le bateau avance-t-il ?

direction et intensité

La force produite est perpendiculaire à la tangente du creux de la voile. Sa puissance augmente quand la cambrure du creux augmente.

Si le vent augmente, il augmente des deux coté de la voile ! Mais il faudra admettre que la force exercée sur la voile augmente en fonction du carré de la vitesse du vent : F = fonction de V2.

Dans les trois croquis ci-dessous, on voit bien comment la cambrure du creux peut influencer la force exercée sur la voile.

En réalité, se sont les 40 cm du bord d’attaque qui exerce 80% de la force propulsive, le reste de la voile sert à accentuer le phénomène. On peut décomposer cette force en une composante propulsive et une composante de dérive.

Pourquoi, quand on borde « trop » (figure n°2), on ralentit ? Et p ourquoi la figure n°3 (la plus à droite) n’est-elle pas le meilleur réglage de la voile ?

décrochage

Ci-contre, un petit croquis qui explique bien mieux qu’un discours le vocabulaire que nous allons employer.

Quand on borde, on modifie l’angle de braquage de la voile, comme ci dessous

Pour quoi faire ? Parce qu’on cherche à obtenir un écoulement le plus laminaire possible afin que les particules se retrouvent en même temps à la fin de la voile. Laminaire ? Kékséksa ?

A partir d’un certain angle de braquage, Les particules se décollent pour retrouver le sens d’écoulement général et forment des tourbillons au sein desquels la pression augmente. C’est ce qu’on appelle la Traînée. On dit alors : « On décroche » comme les avions qui ne sont plus portés par leurs ailes dans les tourbillons !)

laminaire ou pas ?

Image de gauche : le réglage est bon, l’écoulement est parfaitement laminaire

Image de droite : quand on augmente l’angle de braquage, les molécules d’air se mettent à tourbillonner près du bord de fuite de la voile (ou sa chute, si on veut) ; le décollement avance.

On observe le même phénomène de décollement si le creux est trop prononcé !

La conséquence : les particules d’air n’arrivent plus en même temps à l’extrémité de la voile. On le voit parce que la chute de la voile faseye, le bateau gîte moins, sa vitesse diminue.

Les repères à suivre sur le bateau pour un bon réglage : on peut voir si l’écoulement est laminaire grâce aux penons.

  • les penons de foc et de grand voile qui retombent ou montent à la verticale quand les écoulement ne sont plus laminaire et sont remplacés par des turbulences
  • le penon (ou « faveur ») du bord de fuite de la GV

Exercice :

Si le penon extrados tombe, dessiner les turbulences ? Dessiner l’axe du vent ?

Comment faire pour rétablir les écoulements laminaires ? Je dessine les turbulences à la chute de la grand voile,

Dessiner les faveurs : comment faire pour rétablir les écoulements laminaires ?

On a vu que la force fait dériver énormément le bateau, mais comment peut-on avoir une trajectoire dans l’axe du bateau ?

Le plan anti dérive

Le bateau est équipé d’une autre voile…la quille !

Il faut savoir que l’eau est 800x plus dense que l’air ! Pour obtenir les mêmes forces dans l’eau et dans l’air, il faudrait que la voile soit 800x plus grande que la quille (pour une même forme de voile).

Autres différences ! La quille à la différence de la voile est biconvexe. Elle est rigide et non déformable (sauf sur les bêtes de course). Le fluide qui s’écoule sur elle est de l’eau et non de l’air.

Mais le même phénomène s’applique.

Sur le schéma ci-contre, l’écoulement de l’eau est légèrement de biais : c’est normal, à cause du dérapage (les marins appellent cela « dérive ») du bateau.

Le déséquilibre de vitesse et de pression entre les fluides qui s’écoulent sur les deux faces de la quille créent une dépression. Celle-ci produit une force, une « portance », qui se manifeste au vent et qui s’oppose à l’action de la dérive. Plus la vitesse augmente plus la portance augmente et plus la dérive est faible. Si la vitesse est nulle, la portance est nulle. Azlors le bateau n’est pas pour autant immobile, il se met travers au vent et il avance en crabe, il dérive.

décrochage

Cas du virement de bord :

Si je vire de bord et que je n’ai plus de vitesse, la portance de la quille est nulle (elle est décrochée), je dérive !

Observation :

Au sortir d’un virement sans vitesse, on borde la voile et le foc au maximum. On peut observer les écoulements perturbés au vent du bateau au niveau de la quille, des tourbillons d’eau apparaissent.

Mon bateau est décroché. Pour accrocher de nouveau, je dois abattre avec la barre pour reprendre de la vitesse, accrocher ma quille dans l’eau (créer des écoulements laminaires) et, ensuite seulement, lofer. On appelle ça « la relance » du bateau.

Remédiation :

Grâce au loch (ou speedo pour les franglais), virer de bord en ralentissant le moins possible (voir pour cela l’article sur le virement de bord dans ce site).

État d’un bateau accroché au près

Bilan

Dessinons les forces en présence sur le bateau !

Le voilier récupère la puissance de l’air dans ses voiles mais ne peut l’exploiter que grâce a son aile sous marine, la quille.

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