Les coques, un moteur pour le bateau ?

Nous le savons pour qu’un bateau aille vite, il faut réduire les forces qui nuisent à son avancement. C’est vrai, mais pas suffisant. Pour qu’un bateau atteigne de grandes vitesses il faut surtout lui donner de la puissance. Dans notre cas les moteurs de nos bateaux sont les voiles, plus elles ont une grande surface, plus elles vont fournir de la puissance au bateau. Nous l’avons vu c’est la force vélique. Malgré tout on ne peut pas mettre de surface de voile trop grande, car le bateau risque alors de chavirer.

Un autre élément du bateau peut lui aussi améliorer sa puissance, ce sont les coques.

Aux allures les plus fortes, c’est à dire entre le travers et le grand largue, le bateau se met à giter. La gite induit donc une augmentation de la vitesse, car le bateau aura alors sa propulsion maximale. Mais si on n’arrive pas a contrôler la gite, celle-ci peut entrainer un chavirement du bateau. Pour éviter cela, on peut donc réduire l’allure en débordant la voile mais dans ce cas on perd toute la puissance, ce qui n’est pas souhaitable.

C'est à ce moment qu'intervient le couple de redressement.

Le couple de redressement permet de maintenir le bateau en équilibre lorsque que celui-ci gite. Par exemple, avec des bateaux « légers » il faut se mettre au trapèze ou encore au harnais en planche à voile.

Voici un schéma qui va illustrer le principe du couple de redressement.

G est le centre de gravité du bateau.

C0 est le centre de la carène (centre de gravité de la partie immergé de la coque), qui est en mouvement.

(ƒ0 l0) est la ligne de flottaison quand le bateau est à « plat ».

(ƒ1 l1) est la ligne de flottaison quand le bateau gite.

m est le métacentre. (Point sur la ligne verticale passant par le centre de gravité, ainsi que sur la transversale où s’exerce la poussée du fluide).

[0 m] est le rayon de l'arc de cercle C0-C1.

L’angle Thêta représente l’angle de gite.

(P-) Poussée d’Archimède.

(P+) poids qu’exerce le mats.

Sur ce schéma on peut voir que le bateau gite sur tribord (la droite), on a donc une nouvelle ligne de flottaison qui passe de (ƒ0-l0) à (ƒ1-l1). Dans ce cas le poids du mat (P+) s’applique toujours sur le centre de gravité (G) de manière verticale, mais la poussée d’Archimède (P-) ne s’applique plus sur (C0) mais sur (C1). Le bateau est donc en déséquilibre. C’est à ce moment qu’intervient le couple de redressement, pour maintenir le bateau en équilibre dans cette position.

Si le résultat de la distance (C0-m) moins la distance (C0-G) est positif alors on a un couple de redressement dans le cas inverse on un couple de chavirement.

Le couple est un concept qui étudie les mouvements et les déformations d’un systeme. Le couple fait varier le moment cinétique (l’état de la rotation d’un systeme), mais il fait jamais varier le centre de gravité.

Dans notre cas reprenons le schéma avec deux forces (P-) et (P+) le couple de redressement permet d’opposer ces deux force, sur la même verticale par rapport à (ƒ1-l1), permettant ainsi l’équilibre du bateau, pour se faire il suffit que le centre de gravité (G) soit en dessous du métacentre (m). Plus la distance entre (G) et (m) est grande plus le couple de redressement est fort.

En résumé la coque peut donner de la puissance au bateau ?

Et bien c’est relativement simple. Nous venons juste de le voir. Il faut que la coque permette d’avoir un couple de redressement conséquent. Pour se faire il faut donc qu’elle ait une grande surface afin que la distance (G-m) soit la plus grande .

C’est pourquoi nous avons desormais des coques plus larges, pour les bateau plus ou moins récents. Cependant il y’a encore un problème, car, en effet, la création de coques très larges amène à avoir une grande surface immergée et donc une grande trainée, ce qui comme nous le savons ralentis le bateau. C’est donc à l’architecte naval de trouver le juste milieu entre une coque large pour la puissance mais pas trop pour la trainée. Ce problème a également amené à la création de ces fameux foils.

Pour terminer je soulèverai un point important que nous retrouverons dans l’article de la comparaison de nos bateaux. Les monocoques par leurs largeurs induisent une trainée plus grande, or ce n’est pas le cas pour les multicoques. Ceux-ci sont répartis en deux ou trois coques que l'on peut rendre plus fine tout en concervant la largeur. Le muticoques est donc un bon compromis pour avoir une puissance importante ainsi qu'une faible trainée.

Les vagues sont un autre problème qu'il faut régler. Comment minimiser l'impact des vagues sur la coque ? Pour y repondre, c'est très simple il faut une forme fine et angulaire sur la proue pafin de minimiser l'impact des vagues.

Dans le thème de l’hydrodynamisme on parle aussi de l’écoulement est le frottement d’un liquide contre une autre matière, qui peut être notamment la coque d’un bateau.

Il existe 2 principaux types d’écoulement qui sont exprimés en nombre de Reynolds.

Ces 2 types d’écoulement sont principalement dus à la viscosité du fluide et la vitesse du corps. Si la vitesse du solide dans le fluide augmente, cela favorisera l’écoulement turbulent. Un fluide plus visqueux tendra vers un écoulement plus laminaire.

En premier, nous avons l’écoulement laminaire, un écoulement est dit laminaire lorsqu’il est régulier. En effet il ne doit pas présenter de discontinuité.

Ensuite nous avons l’écoulement turbulent, un écoulement est dit turbulent lorsque la vitesse du fluide dépasse une certaine valeur critique (qui dépend des critères que nous venons de voir). A ce moment l’écoulement devient extrêmement compliqué. A l’exception d’une mince couche de fluide le long des parois, l’écoulement n’est plus laminaire. Le mouvement est très irrégulier. Les lignes de courant se déforment de manière aléatoire. Des tourbillons se développent et augmentent très fortement la résistance à l’écoulement ce qui dégrade les performances du bateau. Du coup quand un écoulement devient turbulent il faut essayer au maximum de le faire redevenir laminaire car les tourbillons peuvent créer un effet de succion. Dans l’eau cet effet de succion pourrait attirer un bateau vers l’arrière et du coup dégrader ses performances.

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Le paramètre qui permet de déterminer si l'écoulement est laminaire ou turbulent est un nombre sans dimension appelé nombre de Reynolds (Re). Un liquide peut passer de l’écoulement laminaire à l’écoulement turbulent pour cela il faut que son nombre de Reynolds augmente mais cela n’est pas souhaitable.

Pour déterminer le nombre de Reynold on peut effectuer ces relations :

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ou

Avec les unités suivantes :

P = masse volumique du fluide, V = vitesse moyenne, D = diamètre de la conduite

n= viscosité dynamique du fluide, v = viscosité cinématique

Si Re < 2000 le régime est laminaire

Si 2000 < Re < 3000 le régime est intermédiaire

Si Re > 3000 le régime est turbulent

Pour revenir à un écoulement laminaire rapidement et ainsi réduir l'effet de succion, il faut une coque profilé qui se à une coupe droite sur Poupe (l'arrière) du bateau.

Pour conlure on reprendra les caractéristiques qui permettent de rendre la coque d'un bateau performante. Avec le couple de redressement nous avons vue qu'il faut une coque large pour plus de puissance, et plate pour un centre de gravité bas qui est nécessaire à cette puissance. Nous savons également qu'il faut que la coque soit fine et angulaire sur la proue, mais également profilé ainsi que plate sur l'arrière pour réduire l'effet de succion produit par l'écoulement laminaire.

Maintenant que nous savons quelle forme de coques augmente la vitesse du bateau, il faut modéliser tout cela.