Un ingénieur explique comment les yachts de course suralimentés vont si vite

La voile était considérée comme un passe-temps plutôt calme. Mais au cours des dernières années, le monde de la course à la voile a été révolutionné par l’arrivée des catamarans soutenus par des hydroptères, connus sous le nom de «foilers». Ces navires, qui s'apparentent davantage à des aéronefs à hautes performances qu'à des yachts, combinent les lois de l'aérodynamique et de l'hydrodynamique pour créer des navires pouvant atteindre une vitesse de 50 nœuds, ce qui est bien plus rapide que le vent qui les propulse.

Et catamaran se préparant pour la série Sail GP a même récemment franchi cette barrière, pour atteindre une vitesse incroyable de 50,22 nœuds (57,8 mph) purement alimenté par le vent. Ceci a été réalisé dans un vent de seulement 19,3 nœuds (22,2 mph). Les F50 sont des catamarans à hydroglisseurs de 15 mètres de long et de 8,8 mètres de large, propulsés par des voiles rigides et capables d'atteindre des vitesses aussi étonnantes que Sail GP a été surnommée la « formule de voile ». Comment ces yachts peuvent-ils aller si vite? La réponse réside dans une dynamique de fluide simple.

Lorsque la coque d’un navire se déplace dans l’eau, deux mécanismes physiques principaux créent une traînée et ralentissent le navire. Pour construire un bateau plus rapide, vous devez trouver des moyens de surmonter la force de traînée.

Le premier mécanisme est le frottement. Lorsque l'eau passe au-delà de la coque, une couche d'eau microscopique est efficacement fixée à la coque et est entraînée avec le bateau. Une deuxième couche d'eau se fixe alors à la première couche et le glissement ou le cisaillement entre elles crée un frottement.

À l'extérieur de celle-ci se trouve une troisième couche, qui glisse sur les couches intérieures pour créer davantage de frottement, etc. Ensemble, ces couches sont appelées limites – et c’est le cisaillement des molécules de la couche limite qui créent une traînée de friction.

Un yacht fait également des vagues en poussant l’eau autour et sous la coque de l’avant (à l’avant) à l’arrière (à l’arrière) du bateau. Les vagues forment deux motifs distincts autour du yacht (un à chaque extrémité), connus sous le nom de motifs Kelvin Wave .

Ces vagues, qui se déplacent à la même vitesse que le yacht, sont très énergiques. Cela crée une traînée sur le bateau connue sous le nom de traînée provoquant des vagues, qui est responsable d'environ 90% de la traînée totale. Lorsque le bateau accélère à des vitesses plus rapides (proches de la «vitesse de la coque», expliqué plus loin), ces vagues deviennent de plus en plus longues.

Ces deux effets se combinent pour produire un phénomène appelé « coque », qui est le plus rapide que le bateau puisse parcourir – et dans les yachts à coque simple conventionnels, il est très lent. Un yacht à coque simple de la même taille que le F50 a une vitesse de coque d’environ 12 mi / h.

Hydrofoils

Il est toutefois possible de réduire la traînée liée au frottement et à la houle et de dépasser cette limite de vitesse de coque en la construction d'un yacht avec hydroptères . Les hydroptères sont de petites ailes sous-marines. Celles-ci agissent comme une aile d'avion, créant une force de portance agissant contre la gravité et soulevant notre bateau afin que la coque soit hors de l'eau.

Bien que les ailes d’un aéronef soient très grandes, la densité de l’eau comparée à celle de l’air signifie que nous n’avons besoin que de très petits hydroptères pour produire une importante force de portance. Un hydroptère de la taille de trois feuilles de papier A3 seulement, lorsqu’il se déplace à une vitesse de 10 mi / h, peut générer suffisamment de portance pour accueillir une personne de grande taille.

réduit la traînée de frottement et la traînée de création d’onde, respectivement. L’effet combiné est une réduction de la traînée globale à une fraction de sa valeur initiale, de sorte que le yacht est capable de naviguer beaucoup plus vite qu’il ne le pourrait sans hydroptères.

L’autre innovation qui contribue à augmenter la vitesse des bateaux de course utilisation de voiles rigides . La puissance disponible des voiles traditionnelles pour faire avancer le bateau est relativement petite, limitée par le fait que les forces de la voile doivent agir en équilibre avec une gamme d’autres forces et que les voiles en tissu ne constituent pas une forme idéale pour créer de la puissance. Les voiles rigides, de conception très similaire à une aile d'avion, forment une forme beaucoup plus efficace que les voiles traditionnelles, donnant ainsi au yacht un moteur plus puissant et plus puissant.

As the yacht accélère de la force motrice de ces voiles, il fait l'expérience de ce que l'on appelle «le vent apparent ». Imaginez une journée complètement calme sans vent. Pendant que vous marchez, vous ressentez une brise dans votre visage à la même vitesse que vous marchez. Si le vent soufflait aussi, vous sentiriez un mélange de vent réel (ou "vrai") et de la brise que vous avez générée.

Les deux ensemble forment le vent apparent, qui peut être plus rapide que le vent réel. Si le vent réel combiné est suffisant avec ce vent apparent, alors la voile peut générer une force et une puissance importantes pour propulser le bateau, ce qui permet de naviguer facilement à une vitesse supérieure à la vitesse du vent lui-même.

L’effet combiné de la réduction de la traînée et de l’augmentation de la puissance de conduite donne un yacht beaucoup plus rapide que ceux d’il ya quelques années. Mais tout cela ne serait pas possible sans une avance supplémentaire: les matériaux. Pour pouvoir "voler", le yacht doit avoir une faible masse et l'hydroptère lui-même doit être très résistant. Il serait très difficile d'obtenir la masse, la résistance et la rigidité requises à l'aide de matériaux de construction tels que le bois ou l'aluminium.

C'est ici qu'interviennent les matériaux composites avancés modernes, tels que la fibre de carbone . Techniques de production l'optimisation du poids, de la rigidité et de la résistance permettent de produire des structures suffisamment solides et légères pour produire des voiliers incroyables comme le F50.

Les ingénieurs qui conçoivent ces bateaux à hautes performances (connus sous le nom de architectes navals ) sont: Toujours à la recherche de nouveaux matériaux et de la science pour obtenir un design optimal. En théorie, la F50 devrait pouvoir aller encore plus vite.

Cet article est republié du The Conversation de Jonathan Ridley chef de l'ingénierie, Warsash École des sciences et techniques maritimes, Université de Solent sous licence Creative Commons. Lisez l'article original .