Vous êtes-vous déjà demandé comment un voilier navigue au vent?

Voiliers de course au vent. Crédit: Domaine Public

Le Soleil est dehors, le vent souffle, et j’ai été occupé à prendre des cours de voile. Il s’avère qu’il y a un peu de physique intéressant qui permet aux voiliers non seulement de voyager sous le vent, d’être poussés par le vent, mais aussi de voyager sous le vent, ou presque.

un navire à gréement carré du 18ème siècle naviguant sous le vent., Crédit: Domaine Public

mais commençons d’abord par le cas downwind. Si le marin veut voyager dans la même direction que le vent, il lui suffit de maintenir la voile perpendiculaire au vent et de laisser le bateau être poussé par derrière.
c’est le point le plus basique de la voile, et était souvent utilisé par les anciens marins Égyptiens, Grecs et Romains. Quand ils avaient besoin de vitesse supplémentaire ou voulaient voyager au vent, ils ramaient.
Les grands bateaux à gréement carré populaires aux 18ème et 19ème siècles (le bateau pirate classique, par exemple) étaient également plus efficaces sur une voile sous le vent.,
Les voiliers modernes peuvent naviguer dans n’importe quelle direction supérieure à environ 45 degrés par rapport au vent. Ils ne peuvent pas naviguer exactement au vent, mais avec une conception de bateau intelligente, une voile bien positionnée et la patience de zigzaguer d’avant en arrière, les marins peuvent voyager n’importe où.
pour explorer cela, dessinons un diagramme qui étiquette toutes les forces sur le voilier. Si vous n’avez jamais vu de diagramme de force auparavant, ne vous inquiétez pas, il ne s’agit que de quelques flèches et triangles. En additionnant les forces ensemble, nous obtiendrons la force totale sur le bateau et donc la direction dans laquelle il se déplacera.
voici un voilier de base., Les deux parties sur lesquelles nous allons nous concentrer sont la voile au-dessus du bateau et la quille au-dessous du bateau. La quille empêche le bateau de basculer et, comme nous le verrons, joue un rôle crucial dans le déplacement du bateau vers l’avant.

Une base de voilier. Crédit de diagramme: Tamela Maciel

maintenant, disons que nous essayons de naviguer au vent avec le vent venant de la gauche ou « bâbord » sur l’avant du bateau. Cette esquisse montre le voilier comme si nous regardions le bateau alors qu’il se déplace vers le haut de l’esquisse.,

regardant vers le bas sur un voilier, montrant les forces égales et opposées sur le vent et la voile.
crédit: Tamela Maciel

Le vent remplit la voile en forme d’aile, mais comme la voile est maintenue rapide aux deux extrémités, le vent ne peut pas la repousser. Au lieu de cela, le vent doit changer de direction pour circuler parallèlement à la voile. La voile tendue a créé une force sur le vent qui la fait changer de direction et la troisième loi de Newton nous dit qu’il y a une force égale et opposée sur la voile par le vent, comme le montrent les flèches rouges dans le diagramme ci-dessus.,
Si c’était la seule force agissant sur le bateau, alors nous serions en difficulté: le bateau avancerait mais aussi vers la droite. Mais les voiliers ont une arme secrète, cachée sous les ponts: la quille.

la Quille et le gouvernail en dessous d’un voilier.
crédit: Paul Schultz

En plus de la force sur la voile, la grande surface de la quille résiste à être traînée latéralement dans l’eau. Vous pouvez sentir cette résistance si vous faites glisser votre main paume-d’abord à travers l’eau par rapport à bord-sur. L’eau applique une force à votre main qui augmente avec une plus grande surface.,

Les Forces agissant sur un voilier s’annulent de telle sorte que la force totale déplace le voilier vers l’avant.
la quille pointant vers le bas est délimitée par le rectangle en pointillés.
crédit: Tamela Maciel

cette force sur la quille est représentée par la flèche violette dans le diagramme ci-dessus. En combinant la force sur la voile et la force sur la quille (diagramme en triangle), nous voyons que les forces latérales sont annulées et que la force totale sur le voilier n’est que dans le sens avant (flèche verte). Le résultat est que le bateau se déplace vers l’avant!,
Certains voiliers peuvent même se déplacer plus vite que le vent lui-même. Quand la voile au vent, la vitesse relative du vent sur les voiles est supérieure à la vitesse réelle du vent et ce vent relatif crée une force plus importante sur les voiles qui peut pousser les voiliers plus vite que la vitesse du vent.
Il y a une limite à la vitesse à laquelle les voiliers peuvent avancer, bien sûr. J’ai ignoré la traînée du bateau dans cet exemple, mais le bateau a également une friction inhérente lorsqu’il avance dans l’eau., Le bateau accélérera jusqu’à ce que la force poussant le bateau vers l’avant soit équilibrée par la force de traînée tirant le bateau vers l’arrière, puis le bateau voyagera à une vitesse constante.

pour en savoir plus:

ce simulateur de voile du National Geographic vous permet d’ajuster les voiles et le gouvernail pour trouver le point de voile le plus rapide
La physique de la voile par L’Université de Nouvelle-Galles du Sud
comment les voiliers naviguent contre le vent par la physique pour les architectes