La voile était autrefois considérée comme un passe-temps plutôt calme. Mais ces dernières années, le monde de la régate a été révolutionné par l'arrivée des catamarans à hydroptère, connu sous le nom de "foilers". Ces navires, plus proche d'avions performants que de yachts, combiner les lois de l'aérodynamique et de l'hydrodynamique pour créer des navires capables d'atteindre des vitesses allant jusqu'à 50 nœuds, ce qui est bien plus rapide que le vent qui les propulse.

Un catamaran F50 se préparant pour la série Sail GP a même récemment franchi cette barrière, atteignant une vitesse incroyable de 50,22 nœuds (57,8 mph) purement alimentée par le vent. Cela a été réalisé dans un vent de seulement 19,3 nœuds (22,2 mph). Les F50 mesurent 15 mètres de long, Des catamarans à hydrofoil de 8,8 mètres de large, propulsés par des voiles rigides et capables de vitesses si ahurissantes que Sail GP a été surnommée la « Formule 1 de la voile ». Comment ces yachts peuvent-ils aller si vite ? La réponse réside dans une simple dynamique des fluides.

Lorsque la coque d'un navire se déplace dans l'eau, il existe deux principaux mécanismes physiques qui 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. Au fur et à mesure que l'eau s'écoule le long de la coque, une couche d'eau microscopique est efficacement attachée à la coque et est entraînée avec le yacht. Une deuxième couche d'eau se fixe alors sur la première couche, et le glissement ou le cisaillement entre eux crée un frottement.

À l'extérieur de celui-ci se trouve une troisième couche, qui glisse sur les couches internes créant plus de friction, etc. Ensemble, ces couches sont appelées couche limite – et c'est le cisaillement des molécules de la couche limite les unes contre les autres qui crée une traînée de friction.

Un yacht fait également des vagues en poussant l'eau autour et sous la coque de la proue (avant) à la poupe (arrière) du bateau. Les vagues forment deux motifs distinctifs autour du yacht (un à chaque extrémité), connu sous le nom de modèles 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 de vague, qui est responsable d'environ 90 % de la traînée totale. Au fur et à mesure que le yacht accélère à des vitesses plus rapides (proche de la "vitesse de coque", expliqué plus tard), ces vagues deviennent plus hautes et plus longues.

Ces deux effets se combinent pour produire un phénomène appelé "vitesse de coque", qui est le plus rapide que le bateau puisse voyager - et dans les yachts conventionnels à simple coque, il est très lent. Un yacht à simple coque de la même taille que le F50 a une vitesse de coque d'environ 12 mph.

Hydroptères

Cependant, il est possible de réduire à la fois la traînée de friction et de création de vagues et de surmonter cette limite de vitesse de coque en construisant un yacht avec des hydroptères. Les hydroptères sont petits, ailes sous-marines. Ceux-ci agissent de la même manière qu'une aile d'avion, créer une force de portance qui agit contre la gravité, soulevant notre yacht vers le haut pour que la coque soit dégagée de l'eau.

Alors que les ailes d'un avion sont très grandes, la densité élevée de l'eau par rapport à l'air signifie que nous n'avons besoin que de très petits hydroptères pour produire une grande partie de la force de portance importante. Un hydroptère de la taille de trois feuilles de papier A3, en se déplaçant à seulement 10 mph, peut produire suffisamment de portance pour soulever une personne de grande taille.

Cela réduit considérablement la surface et le volume du bateau qui est sous l'eau, qui coupe la traînée de friction et la traînée de vague, respectivement. L'effet combiné est une réduction de la traînée globale à une fraction de son montant initial, de sorte que le yacht est capable de naviguer beaucoup plus vite qu'il ne le pourrait sans hydroptères.

L'autre innovation qui permet d'augmenter la vitesse des voiliers de course est l'utilisation de voiles rigides. La puissance disponible des voiles traditionnelles pour faire avancer le bateau est relativement faible, limité 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 font pas une forme idéale pour créer de la puissance. Voiles rigides, qui sont de conception très similaire à une aile d'avion, forme une forme beaucoup plus efficace que les voiles traditionnelles, donnant efficacement au yacht un moteur plus gros et plus de puissance.

Au fur et à mesure que le yacht accélère sous la force motrice de ces voiles, il subit ce qu'on appelle le "vent apparent". Imaginez une journée complètement calme, sans vent. Pendant que tu marches, vous ressentez une brise dans votre visage à la même vitesse que vous marchez. S'il y avait aussi un vent qui soufflait, vous sentiriez un mélange du vent réel (ou "vrai") et de la brise que vous avez générée.

Les deux forment ensemble le vent apparent, qui peut être plus rapide que le vent réel. S'il y a assez de vent vrai combiné à ce vent apparent, alors une force et une puissance importantes peuvent être générées à partir de la voile pour propulser le yacht, il peut donc facilement naviguer plus vite que la vitesse du vent elle-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 y a quelques années. Mais tout cela ne serait pas possible sans une avancée supplémentaire :les matériaux. Pour pouvoir "voler", le yacht doit avoir une faible masse, et l'hydroptère lui-même doit être très solide. Pour atteindre la masse requise, la résistance et la rigidité en utilisant des matériaux de construction de bateaux traditionnels tels que le bois ou l'aluminium seraient très difficiles.

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

Les ingénieurs qui conçoivent ces bateaux hautes performances (appelés architectes navals) cherchent toujours à utiliser de nouveaux matériaux et la science pour obtenir une conception optimale. En théorie, le F50 devrait pouvoir aller encore plus vite.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.