Voile (navire)

Lorsque le navire remonte par rapport au vent, l'écoulement du vent le long de la voile crée une différence de pression entre le côté au vent (intrados) et le côté sous le vent (extrados). Une dépression se forme sur l'extrados, ce qui « tire » le navire c'est la portance, et lui permet de remonter au vent. C'est ce même phénomène, appliqué à une aile d'avion, qui lui permet de voler.

On peut considérer une voile en écoulement attaché comme un système chargé de dévier une masse d'air. Tout comme un lanceur de marteau reçoit une force centrifuge en faisant tourner son marteau, la voile reçoit une force proportionnelle à la masse de l'air dévié et à l'angle de déviation. La quantité d'air dévié est le produit de :

• la longueur du bord d'attaque (en général, la hauteur du mât) ;
• la vitesse du vent apparent ;
• l'épaisseur de la couche d'air déviée de part et d'autre de la voile.

L'angle de déviation maximum que l'on puisse obtenir est égal à l'angle d'incidence du vent par rapport à l'axe du bateau. Il est en effet contre-productif de border sa voile au-delà de l'axe du bateau. L'angle effectif de la déviation dépend de la capacité de l'air à suivre le profil de la voile. Si le rayon de la courbe à suivre est trop court, la dépression sur l'extrados devient trop forte, et l'air décroche (a tendance à reprendre la direction du vent). Idéalement, une voile a donc un profil courbe, l'avant du profil étant dans l'axe du vent, et l'arrière du profil dans l'axe du bateau. La distance entre le bord d'attaque et le bord de fuite doit être la plus courte possible, afin de limiter les frottements (la traînée), tout en étant suffisamment longue pour répartir la dépression. La dépression est d'autant plus forte que la direction forcée du flux d'air s'écarte de l'axe du vent. On peut donc se permettre un rayon de courbure plus élevé à l'avant du profil que vers l'arrière. Il en résulte un profil optimal asymptotique, où le creux se situe au premier tiers du profil. La quantité de creux (la cambrure) et la position du creux déterminent le coefficient de portance d'une voile, d'où les nombreux dispositifs qui tentent à influencer ces paramètres. Par exemple pour une grand-voile :

• selon la courbure du mât, on déplace le creux longitudinalement (réglage de pataras) ;
• plus on tire sur le bord d'attaque, plus la voile s’aplatit (tension de drisse, cunningham) ;
• plus on tire la bôme vers le bas, plus la voile s'aplatit (hale-bas, chariot d'écoute) ;
• des tissus suffisamment rigides évitent que le creux ne se déplace sous différentes forces de vent ;
• les voiles entièrement lattées ont un profil plus stable.

De même qu'en aéronautique, lorsque les écoulements autour de l'aile décrochent, la voilure perd de son efficacité ; les marins soucieux de performances savent qu'une voile développe sa plus grande force lorsqu'elle est proche du décrochement. C'est pourquoi les régatiers modifient sans cesse leurs réglages pour garder leur voile le plus proche possible du décollement, sans pour autant la faire décrocher. Ceci demande une attention constante, car le réglage doit être adapté aux variations de vitesse, de cap, et aux changements du vent. Des brins de laine ou des rubans (faveurs, penons) sont souvent fixés en plusieurs endroits du creux des voiles, afin de matérialiser l'écoulement des filets de vent, et signaler le décrochage.

Afin d'améliorer les performances des voiliers, les architectes de bateaux de course jouent aussi sur la forme du mât (mâts aile), afin d'améliorer encore ces écoulements.

Aux allures du près, la voile exerce une force propulsive tant que son angle par rapport au vent apparent reste suffisamment grand (de l'ordre de vingt degrés). Ceci a pour conséquence qu'il est possible, avec un véhicule offrant une faible résistance à l'avancement, d'aller plus vite que le vent réel. C'est le cas par exemple des planches à voiles, des multicoques, de certains monocoques conçus pour déjauger, et des chars à voiles. Les engins à voile les plus rapides étant les chars à glace capables d'atteindre quatre à cinq fois la vitesse du vent.

La force exercée par le vent sur la voile est à peu près perpendiculaire à la corde du plan de voilure. La composante de cette force qui est parallèle à l'axe du navire est la force propulsive. L'autre composante, perpendiculaire à l'axe du navire, a tendance à le faire dériver, mais peut aussi provoquer une gîte (bande) (le navire penche sur le côté), et peut compromettre dangereusement son équilibre, voire le faire chavirer.

Pour compenser cet effet néfaste, plusieurs stratégies sont utilisées :

• la forme de la coque des navires est étudiée pour contrecarrer la gîte aux faibles angles (stabilité de forme) ;
• la plupart des navires sont munis d'un lest (quillards, dériveurs lestés, dériveurs intégraux) (stabilité de poids) ;
• les multicoques compensent l'absence de lest par leur largeur ;
• les marins peuvent aussi déplacer des poids (ballast mobile) sur le navire, de manière à l'équilibrer. Lorsque les forces mises en œuvre sont suffisamment faibles (embarcations de petite taille), ils peuvent faire contrepoids avec leur propre corps, et se mettant au rappel, ou au trapèze.

Un voilier sous spinnaker

Lorsque le navire s'éloigne du vent, l'écoulement le long de la voile peut « décrocher ». Le vent pousse littéralement la voile. Pour obtenir une propulsion maximale, il faut alors orienter différemment la voile de manière qu'elle soit perpendiculaire à l'axe du vent. Il faut aussi régler la voile de façon qu'elle soit la plus creuse possible. Des voiles extrêmement creuses ont été conçues à cet effet, telles les spinnakers (ou « spis ») ou les gennakers.

Si le bateau est au vent arrière, la vitesse a tendance à réduire le vent apparent. Ainsi, contrairement à l'intuition, cette allure n'est pas la plus rapide, car il n'est pas possible d'aller plus vite que le vent réel. La façon la plus rapide pour aller à un point sous le vent consiste alors parfois à tirer des bords dans une direction légèrement éloignée de l'axe du vent (grand largue), ce qui augmente le vent apparent.

Aux allures portantes, la force du vent sur la voile a tendance à enfoncer l'avant du bateau. Cela peut être dangereux, particulièrement sur les multicoques, et provoquer un enfournement. La coque sous le vent plonge alors brutalement sous l'eau. Le ralentissement violent qui en résulte peut faire chavirer le bateau sur l'avant (sancir). À grande vitesse, cette allure nécessite une attention soutenue de l'équipage. Pour éviter ces enfournements et aussi lorsque le vent forcit, on déplace le centre de gravité vers l'arrière : déplacement de l'équipage, utilisation de ballasts, par exemple, selon la taille du bateau. On recule et oriente également le centre de poussée vélique (inclinaison ou quête du mât).

Cette voile d'avant (et ses déclinaisons en voiles d'étai) est retenue (endraillée) par un câble (souvent un étai) sur son envergure. Elle est amurée à l'avant sur le pont, le bout-dehors ou le beaupré. Elle est intéressante à deux titres : d'une part, ne subissant pas les perturbations aérodynamique dues à un espar rigide elle est efficace malgré sa forme inadaptée et, d'autre part, l'interaction entre son bord de fuite et la dépression provoquée par l'extrados de la voile située en arrière accélère le flux d'air et augmente son rendement[1], ce qui permet aux allures de près, de bien remonter au vent.

Sur les voiliers anciens, on pouvait en avoir cinq ou six qui portaient les noms de : trinquette, petit foc, grand foc, foc volant, faux foc, clinfoc. De même, des voiles similaires étaient gréées entre les mâts, les voiles d'étai, qui favorisaient la remontée au vent des voiliers à gréement carré.

Sur les voiliers de plaisance modernes, le foc est souvent devenu la plus grande voile du système propulsif. Un voilier de plaisance traditionnel en avait trois ou plus : génois, inter (entre le génois et le foc), foc n^o 1, foc n^o 2 et le tourmentin qui servait pendant les forts coups de vent à assurer le maintien du bateau dans le vent et le garder manœuvrant. Pour un même voilier, plus la surface de la voile diminue, plus le grammage de la toile augmente, et moins il y a de creux (coupe de voile).

Maintenant les génois sont souvent pris sur un enrouleur qui sécurise les réductions de voilure. Les spinnakers ou « focs ballons » (apparus vers 1880) sont des très grandes voiles légères utilisées aux allures portantes. Les « tri-radials » ou gennakers sont des intermédiaires, se portant comme un génois mais d'une très grande surface.

Sur les voiliers modernes les voiles d'avant sont fréquemment installées sur un enrouleur (ou à emmagasineur) c'est-à-dire qu'elles s'enroulent autour d'un tube pour diminuer leur surface exposée et surtout d'éviter les manœuvres d'affalage. Ce système permet de réduire considérablement le nombre de voiles nécessaires, et de manœuvres pour les gréer.

Grâce à ce dispositif, on n'utilise plus qu'une seule voile d'avant au lieu des quatre ou cinq précédentes : génois, inter (entre le génois et le foc), foc, trinquette, tourmentin. Une voile ainsi réduite est moins efficace qu'une voile entière de surface équivalente. En effet, le centre de voilure se retrouve plus haut et, de plus, la coupe obtenue n'est pas optimale : plus la voile est réduite plus elle devient creuse, alors qu'on souhaiterait avoir une voile plus plate pour naviguer par vent plus fort.

Un système approchant existe aussi pour la grand-voile qui s'enroule cette fois à l'intérieur de la bôme ou du mât, permettant de réduire la toile.

Ces matériels permettent de remplacer mécaniquement l'opération de diminution de toile sur une voile classique qui se nomme prendre un ris, cela simplifie aussi grandement l'opération d'affalage. Le problème est la propension de ces systèmes à se coincer, du fait d'un enroulement défectueux ou de l'action oxydante des sels marins. Les systèmes d'enroulement dans le mât sont cependant relativement répandus, car relativement économiques et faciles d'utilisation surtout sur les grosses unités. Le principal désavantage est alors la perte de surface, du fait de l'absence de lattes et donc de rond de chute.

La voile utilisée de cette manière est soumise à une usure plus rapide que la voile manœuvrée de manière classique : plus de frottements, de mauvaises tensions, accumulation d'une humidité résiduelle, macération due aux sels marins…

Sur les voiliers traditionnels, compte tenu des qualités très différentes des tissus employés avant l'arrivée des matériaux synthétiques, les voiles sont généralement « enverguées » c'est-à-dire fixées en partie haute et/ou basse sur un espar (en bois ou en métal) appelé vergue et qui sert à la déployer.

Dans les voiliers à gréement carré, la vergue étant retenue par le milieu, ses deux extrémités sont dirigées par des bras (bras au vent et bras sous le vent) et les deux angles inférieurs de la voile par des écoutes (sous le vent) et des amures (au vent) qui servent à brasser (régler l'incidence par rapport au vent) la voilure.

Jusqu'au XIX^e siècle, les voiles étaient réduites ou ferlées (repliées) par un grand nombre de gabiers (matelots) qui devaient remonter à la main des surfaces importantes de tissu lourd, souvent mouillé, voire gelé ce qui était très difficile et dangereux. Au cours du temps, avec l'augmentation des tonnages des navires et la nécessité d'améliorer la vie à bord des marins, on a progressivement de plus en plus divisé les surfaces de voile en augmentant le nombre de vergues, notamment sur les basses voiles, les plus grandes, et on a pu simplifier les opérations de réduction en installant des « cargues », cordages qui servent à retrousser les voiles depuis le pont. On les appelle « cargue-point », « cargue-fond » ou « cargue-bouline » selon le point d'attache sur la voile.

• Bertrand Chéret, Les Voiles. Comprendre, régler, optimiser, Gallimard, 2000 (ISBN 978-2-7424-0767-5)
• Parïs Bonnefoux et De Bonnefoux, Dictionnaire de marine à voiles, Editions du Layeur, 1999 (réédition d'un ouvrage du 19^e siècle), 720 p.
• Georges DEVILLERS, Manuel de matelotage et de voilerie à l'usage des marins professionnels et des plaisanciers, Editions Maritimes et d'Outres-Mer (Paris), 1971, 445 p.
• Gwendal JAFFRY, Claude BAS, Yves GAUBERT, Michel PHILLIPE, Guide des nœuds et du matelotage, Douarnenez, Le Chasse Marée, 2002, 128 p. (ISBN 2-914208-14-6)
• Georges NARES, Traité de manœuvre et de matelotage, Le Chasse Marée, 1983 (ISBN 2-903708-87-8)

• BEQUIGNON Jean Yves, GUERY Jean Louis, La Navigation Hauturière : Préparatifs - Vie à bord - Sécurité - Météo - Navigation, Paris, Voiles et voiliers (Paris), coll. « Comprendre », 2014, 80 p. (ISBN 978-2-916083-68-1)
• BEX Christian, Demain, je fais de la voile, Paris, Jacob-Duvernet, coll. « Les Guides France Infos », 2002, 117 p. (ISBN 2-84724-010-1)
• CHEVALIER François, Toutes les manœuvres de votre voilier : en 300 illustrations, Voiles et voiliers (Paris), coll. « Comprendre », 2009, 89 p. (ISBN 9782951766273)
• GUERY Jean Louis, Marées, vents et courants : en 150 photos et illustrations, Paris, Voiles et voiliers (Paris), coll. « Comprendre », 2010, 81 p. (ISBN 978-2-916083-43-8)
• DEDEKAM Ivar, L'art de la navigation et le point astro : en 130 illustrations, Voiles et voiliers (Paris), coll. « Comprendre », 2009, 90 p. (ISBN 978-2-9517662-8-0)
• DEDEKAM Ivar, Les bons réglages de votre voilier : en 150 illustrations, Voiles et voiliers (Paris), coll. « Comprendre », 2011, 89 p. (ISBN 9782951766228)
• DEDEKAM Ivar (trad. de l'anglais), Manœuvre de port et de mouillage : Matelotage usuel ; Manœuvres au moteur ; Manœuvre à la voile ; Amarrage ; Mouillage sur ancre ; Prise de coffre, Paris, Voiles et voiliers (Paris), coll. « Comprendre », 2009, 82 p. (ISBN 978-2-916083-10-0)
• BARRAULT Jean Michel, Initiation à la navigation, Ouest France - Editions du Pen Duick, 1989, 93 p. (ISBN 2855130638)
• BOUTON Pascale, Guide de la randonnée nautique, Aix-en-Provence, Vagnon (www.vagnon.fr), 2009, 179 p. (ISBN 978-2-85725-630-4)

• Anatomie d'une voile : Termes anglais et allemands des éléments d'un voilier.

• Anatomie d'une voile (exemple d'un catamaran) : http://lapassiondelavoile.overblog.com/reglage-de-la-voile-en-catamaran-par-emmanuel-chazard
• Type de voile : http://liberte-des-flots.skyrock.com/2928677537-Types-de-voiles.html
• Réglage d'une voile : http://www.culture-maritime.com/fr/page-ae1_cours.xhtml
• Bateaux des côtes de France : https://www.chasse-maree.com/savoirs/bateaux-des-cotes-de-france/