L’engin à voile le plus rapide sur l’eau

.. est une planche à voile ! (standard ?)

En avril 2005, Le Mistral a propulsé Finian Maynard (117 kg, ça aide dans ce sport 😉 ) à 48.7 noeuds sur 500 m sur un canal aux Saintes Maries de la Mer lors de l’événement annuel « Masters Of Speed« .

Observez bien cette video :

  1. Le vent réel arrive au largue, la voile est bordée pour le près bon plein à cause du vent apparent.
  2. Maynard suit soigneusement le bord au vent du canal pour bénéficier de l’eau la plus calme.
  3. Lorsqu’il sort de l’eau, il est content. Mais surtout on voit que sa planche n’a rien de spécial en apparence. Il serait cependant intéressant de savoir si l’aileron a été spécialement étudié pour ces vitesses.

Le record n’a pas été battu ces 2 dernières années, peut-être par manque des conditions idéales de vent. Le prochain objectif de Maynard et ses amis est évidemment de franchir le « mur des 50 noeuds » sur ce canal, mais l’Hydroptère n’en est pas loin non plus, et sur mer.

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Le mur des 50 noeuds

Pourquoi est-il si difficile d’aller vite dans l’eau ? Les avions ont passé le mur du son il y a 60 ans, mais la plupart des bateaux, du contre-torpilleur Le Terrible (45 noeuds en 1935 , le record tient toujours!) à la planche à voile (48.7 noeuds en 2005) n’arrivent pas à franchir 90 km/h. Et sous l’eau, les sous-marins nucléaires modernes plafonnent à 35 noeuds (66 km/h) , leur vitesse de croisière étant plutôt de 20 noeuds (37 km/h).

Le record de vitesse absolu sur l’eau est de 317 noeuds (587 km/h!) , mais « Spirit of Australia » est propulsé par un réacteur d’avion et n’a aucune pièce dans l’eau: il glisse à la surface. Avec simplement une hélice dans l’eau, le record est « seulement » de la moitié : 322 km/h

Pour expliquer la difficulté d’aller vite dans l’eau, j’ai dessiné un profil de foil « pédagogique* » avec SolidWorks et simulé un écoulement d’air et d’eau autour du profil avec FloWorks, le tout en 1h seulement. Continuer à lire … « Le mur des 50 noeuds »

Vitesse des animaux marins

Dans ce commentaire, Eric me signalait que l’espadon et son cousin le poisson voilier dépassaient 100 km/h, soit près de 60 noeuds. Les premières vérifications, notamment sur la wikipedia en français confirmant ceci, je me suis lancé dans une réponse audacieuse, mentionnant entre autre que ce animaux avaient peut-être trouvé moyen de tirer parti de la cavitation.

le poisson le plus rapide (?)

Mais en poursuivant les recherches, je suis tombé sur cette page très complète sur le sujet (attention, cette page indique les vitesses en mph, donc en miles « terrestres » par heure, pas en kts, noeuds nautiques… »), qui indique que:

  1. le « Bluefin Tuna » (thon à nageoire bleue ?) que des récits de pêcheurs (marseillais ?) propulsaient à 56.8 noeuds n’ont été mesurés « qu’à » 37.7 noeuds pendant 20 secondes, ce qui est déjà spectaculaire
  2. le « Yellowfin Tuna » et le « Wahoo » ont atteint 40.27 and 41.6 noeuds respecivement
  3. la vitesse de 60 mph (et non kts !) soit 52.13 kts mentionnée pour l’espadon serait le résultat d’un calcul théorique fait par Sir James Gray, basé sur la puissance nécessaire mais ne tenant pas compte de l’hydrodynamique. Aucune mesure n’est réellement disponible sur la vitesse de l’espadon.
  4. Un « sailfish » (poisson voilier) mécontent a effectivement déroulé 100 yards de la ligne à laquelle il avait mordu en 3 secondes, ce qui correspond à une vitesse de 59 noeuds ! Mais il l’a fait en sautant, pas vraiment en nageant, donc c’est un résultat à considérer avec prudence.

Il n’est donc pas encore vraiment certain que des animaux soient capables de franchir le « mur des 50 noeuds », du moins en nageant, car certaines crevettes y arrivent avec leur pinces, pour faire du bruit et éventuellement assommer une proie avec l’onde de choc (voir ici)

Hydrofoils à propulsion humaine

Petite digression en dehors de la voile pour illustrer la réduction de la trainée par des foils:

En 1991, le « Decavitator » du MIT propulsé par les cuisses de Mark Drela a atteint 18.5 noeuds (~34 km/h), soit environ le double du skiff propulsé par les bras et les jambes de Marcel Haeker, recordman en aviron.

Le Cetan II de l’Uni d’Illinois à Urbana-Champaign vise 20 noeuds en superposant un grand foil « basse vitesse » destiné à aider au décollage, relayé par un foil « haute vitesse » plus profond.

Plus vite que le vent ?

Oui, un voilier peut aller nettement plus vite que le vent !

Les principes physiques de la voile sont expliqués de façon simple dans « La voile, un jeu d’enfants »

Ce qu’il faut retenir (les maths et la physique seront abordés dans d’autres articles):

  1. Une voile fonctionne comme une aile d’avion : plus l’air circulant sur la voile va vite, plus la « force aérodynamique » sur la voile augmente, et donc sa « composante propulsive » qui fait avancer le bateau.
  2. Le « vent apparent » ressenti sur le bateau est la somme du « vent « réel » et du vent du à la vitesse du bateau. Plus le bateau va vite, plus le vent apparent est fort et arrive par l’avant du bateau
  3. Le bateau est freiné par sa « trainée », due au frottement du bateau dans l’eau, et qui augmente très fort avec la vitesse.
  4. Finalement, la vitesse du bateau s’établit à l’équilibre entre la force propulsive qui l’accélère, et la trainée qui le freine.

La vitesse du voilier dépend donc:

  1. de sa construction, qui vise principalement à réduire la trainée:
    • le record de vitesse à la voile est détenu par une planche à voile ! Légère et planant sur la crête des vaguelettes, sa « surface mouillée » est minimale
    • au delà d’une certaines vitesse, les dériveurs légers et les multicoques se mettent à « surfer » : leur coque sort de l’eau, la trainée diminue et ils accélèrent brutalement.
    • les foils permettent de soulever le bateau hors de l’eau, diminuant encore plus la surface mouillée.
  2. de sa direction par rapport au vent réel:
    • « vent debout », directement face au vent, la voile ne fonctionne pas, le bateau n’avance pas.
    • au « vent arrière » , le bateau « poussé » par le vent ne peut pas dépasser une fraction de la vitesse du vent.
      S’il allait à la vitesse du vent (au moteur…), le vent apparent serait nul et les voiles ne créeraient aucune force.
    • aux autres angles par rapport au vent, la vitesse d’un bateau est décrite par une courbe appelée « polaire de vitesse » comme celle ci-dessous, correspondant à un grand voilier de croisière de 32 m (je cherche des polaires de multicoques et de foilers…) On y voit que:
      • les vitesses maximales sont atteintes au « largue », entre 90° et 150° du vent réel
      • à ces angles, le bateau va plus vite que le vent ! Au Coin des experts SEED, on mentionne qu’un multicoque au surf atteint 1.5x la vitesse du vent, et que les bateaux à foils atteignent 2x la vitesse du vent (pas plus ?)
  3. Finalement assez peu de la vitesse du vent réel : avec un vent 2x plus fort, un bateau ne va pas 2x plus vite, comme on le voit également sur la polaire ci-dessous.
    Sauf s’il se met à « surfer » ou à « voler » grâce à ses foils !


(cliquer pour agrandir)

Autre référence: The Physics of Sailing