Le Catamaran: bien plus qu'un bateau...

Un petit aperçu de la nomenclature du catamaran en attendant la suite.

Bon vent! 

Cher monsieur Chevalier,

CE BLOG EST UN BLOG AMATEUR. Il a été créé pour faire office de support à notre TPE que nous avons passé l'année dernière. Comme nous ne sommes pas expertes nous avons exploité des informations présentes sur le net en prenant soin de citer nos sources dans la rubrique "bibliographie". Vous y trouverez ainsi l'adresse de votre blog. De plus nous avons essayé de faire la majorité de nos images pour rendre notre blog le plus personnel possible sans se prendre trop au sérieux. Nous n'avons en aucun cas voulu vous offenser ni voler votre précieux travail. Merci de ne plus poster de messages injustes à l'avenir. En espérant que vos chevilles dégonfleront bientôt, bien à vous,

Marina, une CATAMARANte.

1) Coque bâbord

2) Coque tribord

3) Safrans: ce sont les pièces mobiles, plates et verticales immergées que l'on pivote pour diriger le bateau.

4) Trampoline

5) Grand-voile

6) Foc: c'est la voile triangulaire qui se trouve à l'avant du bateau.

7) Mât

8) Bôme: c'est une barre rigide qui permet d'orienter la grand-voile

La grand-voile, le foc, le mât et la bôme font partie du Gréement (l'ensemble des éléments relatifs à la voilure du bateau: cordage, voiles...)

9) L'équipage est au trapèze: c'est un cable qui descend du mât, muni d'une poignée, d'un crochet et d'un tendeur de retenue.

   On dit d'un bateau qu'il dessale lorsqu'il chavire.        Il sancit quand il chavire par l'avant ou l'arrière.

Pour minimiser la traînée du bateau dans l'eau, il faut l'équilibrer. On cherche alors à limiter la surface mouillée en faisant gîter le bateau.

Ici, le bateau gîte, c'est à dire qu'il fait du une coque.

Lorsqu'un bateau navigue, il crée un réseau de vagues. Les plus visibles sont les vagues d'étrave et de poupe (mais d'autres naissent en différents points de la coque).

Elles agissent les unes sur les autres pour former le sillage caractéristique d'un bateau en marche.Au passage, elles emportent avec elles une certaine quantité d'énergie prélevée à la carène*, augmentant ainsi la résistance à la progression. C'est la "résistance de vague".*

*Le cours des Glénans,7e édition                                      *carène: Partie de la coque en contact avec de l'eau.

Par petit temps, c'est à dire à petite vitesse, on cherchera donc à gîter un maximum afin de limiter la surface mouillée, la résistance de vague n'étant pas très importante. Pour cela, on peut se mettre au rappel.

L'équipage est au rappel.

Par vent fort, à grande vitesse, la résistance de vague prédomine au point d'imposer une vitesse limite à la plupart des voiliers. Quand la vitesse du voilier s'accroît, l'amplitude des vagues générées augmente et avec elle la résistance de vague.

On peut calculer la vitesse limite de carène grace à la formule: V limite(m/s)=√(L/0,6)=1,25√L où L est égale à la longueur de flottaison du voilier. Sa représentation graphique est la suivante:

Exemple: L'hobie cat 16. La vitesse limite de carène d'un Hobie cat 16 de 5,05m (longueur de flottaison=4,64m) est d'environ 2,68 m/s.

Toutefois, cette vitesse peut être dépassée, elle n'est qu'une estimation: à partir de cette vitesse, le bateu acélère très peu, même quand la force propulsive augmente beaucoup. La formule ne tient compte que de la longueur de flottaison de la carène, or la résistance de vague dépend beaucoup de la forme de la coque.

Remarque: Cette formule dicte d'ailleurs certains choix architecturaux.

Par vent fort, il est plus intéressant de se mettre au trapèze afin que la coque au vent puisse éfleurer les vagues sans aller plus haut.

L'équipage est au trapèze.

Cette position minimise ainsi la traînée du bateau et cela permet ainsi aux voiles (et aux safrans) de conserver des angles proches des angles d'incidence de départ (lorsque le catamaran avait ses deux coques en contact avec l'eau).

Au début de l'expérience, l'équipier est au milieu du bateau. Le bateau est penché sur une coque. Pour le rééquilibrer, l'équipier se met donc au trapèze.

On voit donc que les déplacements de l'équipage ont un impact sur l'équilibre du bateau.

• http://www.chazard.org

• http://www.lespassagersduvent.fr/iso_album/aero.pdf

• http://pygires-seaway.blogspot.fr

• www.chevaliertaglang.blogspot.fr

• www.voilesetvoiliers.com

• rider-family.fr

• nauticexpo.fr

• Agenda de la plaisance, Vagon 2013

• La voile pour les nuls

• Le cours des Glénans, 7e édition

• Voile magazine-n°204 S-décembre 2012-Spécial salon

Comment optimiser la forme des voiles pour améliorer la vitesse d'un catamaran ?

*image: Le cours des glénans, 7e edition

                     Profil schématique d'une voile         Coupe horizontale de la même voile

Mise en forme des voiles

Angle d'incidence: Il s'agit de l'angle formé entre la direction du fluide et la corde du profil.

Corde: C'est la ligne droite fictive reliant le bord d'attaque (le guindant) et le bord arrière (la chute) de la voile.

Creux: C'est le gonflement de la voile qui se mesure du point le plus profond de la voile à la longueure la corde.

Dévers: Il s'agit du degré de modification de l'angle d'attaque à mesure que l'on s'élève du bas au sommet de la voile.

*image: La voile pour les nuls.

La voile du haut a un dévers très excessif, la voile du bas a très peu de dévers.

"Mille millions de mille sabords": Pour augmenter la puissance de la voile il faut diminuer le dévers, c'est à dire que le sommet et le bas de la voile sont l'un et l'autre parfaitement bordés.

Force aérodynamique

Loin du profil (c'est à dire loin de la voile), la vitesse du fluide est constante. Les lignes de courant sont des droites parallèles et équidistantes. Lorsque les lignes de courant glissent le long du profil, elles se resserrent du côté convexe de la voile (extrados) en accélérant (V1>Va cf Théorèmes). Se forme alors une dépression sous le vent de la voile. 

A l'inverse, du côté concave de la voile (intrados), les lignes de courant sont plus espacées et moins rapides (V2<Va). La pression y est donc plus importante, et il se forme une surpression au vent de la voile.

La force aérodynamique naît de cette différence de pression.

Remarques:

• La force aérodynamique résulte d'une multitude de petites forces (forces de pression et de dépression) qui s'appliquent en chaque point de la voile. Elle est toujours perpendiculaire à la corde du profil. 

• On décompose traditionnellement la force aérodynamique en deux forces: la portance et la trainée. La portance est la composante perpendiculaire à la direction du fluide. La trainée est parallèle à la direction générale de l'écoulement.

Les écoulements

• Ecoulement laminaire

C'est un écoulement de fluide qui, au voisinage d'une paroi, suit les formes de celle-ci. L'écoulement général le long d'une voile est laminaire.

A savoir: En écoulement laminaire, le bord de fuite d'une voile bien réglée est parallèle à la direction des filets d'air.

Attention! Voile trop bordée ne signifie pas forcément accroissement de vitesse car l'écoulement devient décollé sur une partie du profil, une partie du flux n'est pas dévié. La force aérodynamique diminue alors largement.

• Ecoulement décollé

En vent arrière les voiles sont perpendiculaires à l'écoulement de l'air. Ce n'est plus la portance des voiles que l'on cherche à augmenter mais la trainée, c'est à dire la force développée par les voiles dans le sens de l'écoulement.

Conseil d'oiseau: On choque la grand-voile (pour augmenter le creux), le cunningham (pour reculer le creux).

Tout d'abord intérressons nous à l'écoulement des fluides.

Bernoulli

Mise en situation

Imaginons nous sur un pont comme celui-ci:

L'eau qui s'écoule au dessous est chargée de petits débris. On s'aperçoit que chacun d'entre eux suit une trajectoire qui lui est propre, matérialisée par ce qu'on appelle une ligne de courant (deux lignes de courant ne se croisent jamais) . Grâce à ces "lignes" on peut relever la direction du courant. Certaines de ces lignes de courant (celles qui arrivent exactement au centre des piles du pont) aboutissent en des points appelés points d'arrêt car la vitesse du fluide y est nulle. De plus, on peut remarquer qu'entre les piles, les débris vont plus vite et les lignes de courant se resserrent. Pourquoi ?

Dans cet exemple, le débit de la rivière est constant. Lorsque l'eau passe entre les piles, elle a moins de place et doit donc accélérer. On retiendra que resserrement et accélération des lignes de courant sont étroitement liés.

On observe également qu'au niveau des points d'arrêt du courant, le niveau de l'eau y est plus haut que le niveau moyen de la rivière, alors qu'il est un peu plus bas là où le courant est le plus fort c'est à dire entre les piles du pont.

*Image:le cours des Glénans,7e édition

Pointillés rouges: niveau moyen du cours d'eau

Théorème de Bernoulli

Le théorème de Bernoulli rend compte de ce phénomène: le long d'une ligne de courant, si la vitesse du fluide augmente, la pression diminue.

Le niveau de l'eau est moins élevé entre les piles du pont car la vitesse de celle-ci est plus importante et la pression plus faible.

Ecoulements

Lorsqu'on se dirige de l'autre côté de la pile du pont pour suivre les brindilles, on constate que certaines d'entre elles semblent coincées derrière les piles du pont et tournoient de manière anarchique. On dit alors que l'écoulement derrière la pile est décolé, alors qu'au contraire le long des piles du pont (là où les lignes de courant sont bien lisses) on dit que l'écoulement est laminaire.

Effet Venturi

L'écoulement d'un fluide dans un tube à étranglement est particulier. Le débit à l'entrée est égal au débit de sortie. Ainsi il y a une accélération du fluide dans l'étranglement.

On a: V1=V3<V2 "la vitesse du fluide en 1 est égale à celle en 3 et inférieure à la vitesse en 2"

Remarques:

• Les deux lois permettent d'expliquer la création de la force aérodinamique.
• Le théorème de Bernoulli accentue l'idée de pression alors que l'effet Venturi appuie l'idée de vitesse.

Le Kevlar est utilisé dans la fabrication des catamarans, principalement pour les surfaces devant résister aux impacts.

Le foc du Spitfire, par exemple, contient du Kevlar. 

Pourquoi le Kevlar est-il si rigide et résistant ? 

On peut l'expliquer par sa structure chimique:

La liaison hydrogène, la fonction amide et l'aromaticité augmentent la stabilité du Kevlar et lui confèrent sa rigidité et ses propriétés si intéressantes de résistance.

La liaison hydrogène

La liaison hydrogène est la plus forte des liaisons faibles:

L'atome d'hydrogène est lié à un atome  très électronégatif   N,O ou F (donneur de liaison hydrogène).Ces atomes attirent les électrons vers eux, ils obtiennent donc une charge partielle delta- alors que l'hydrogène est chargé partiellement delta+.

Or, comme deux charges opposées s'attirent, l'hydrogène va se rapprocher d'un atome accepteur de liaison hydrogène pour former la liaison.

Pour le Kevlar, l'hydrogène est lié à l'azote et forme une liaison hydrogène avec l'oxygène.

Les liaisons hydrogène assurent la cohésion entre les chaines polymères.                                                                    

Exemple des liaisons hydrogène dans l'ADN:

 Dans la molécule d'ADN, les nucléotides complémentaires adénine-thymine et guanine-cytosine sont reliés entre eux par des liaisons hydrogène.

Elles assurent là aussi la cohésion entre les chaines polymères.

La fonction amide

1. L'azote(N) possède 3 liaisons et un doublet non liant. Il est lié au carbone(C) qui a 4 liaisons et qui est lui même lié à l'oxygène(O) par une double liaison(une liaison sigma et une liaison pi).

2. Le doublet non liant de l'azote bascule par mésomérie (déplacement de doublets d'électrons dans une même molécule) et devient une liaison pi liant le carbone à l'azote. La liaison pi liant le carbone à l'oxygène bascule sur l'oxygène.

3. L'azote possède 4 liaisons et non pas 3, il a donc une charge positive. L'oxygène n'a qu'une liaison: il a une charge négative. Le carbone garde ses 4 liaisons.

La mésomérie de la molécule confère sa stabilité à la fonction amide.

L'aromaticité

Les molécules aromatiques respectent la règle de Hückel qui vérifie 3 conditions:

- La molécule doit être cyclique et plane. Ex:

- Tous les atomes de carbone doivent être hybridés sp²(3 liaisons sigma + 1 liaison pi). Ex:

- La molécule doit posséder 4n+2 électrons délocalisables(n est un entier naturel)

Ici il y a 3 liaisons pi dans la molécule (le benzène) ce qui fait 6 électrons délocalisables.

On a donc:  4n+2=6

                     4n=4

                       n=1

Comme 1 est un entier naturel, la molécule a bien 4n+2 électrons délocalisables.

Dans cet exemple là (le cyclooctatétraène), il y a 4 liaisons pi dans la molécule ce qui fait 8 électrons délocalisables.

On a donc:  4n+2=8

                     4n=6

                       n=1,5

Comme 1,5 n'est pas un entier naturel, la molécule n'a pas 4n+2 électrons délocalisables.

 Remarque: La fonction amide et les molécules aromatiques sont dans le plan.

 Pour mieux comprendre les notions scientifiques qui vont suivre, intéressons nous à la théorie

Les allures : ou comment optimiser le réglage de son bateau en fonction du cap choisi 

L'allure désigne la direction du voilier par-rapport au vent. L'allure dépend de l'angle formé entre l'axe principal du navire (axe proue-poupe) et le vent apparent.

Dans un premier temps, il est donc essentiel de savoir d'où vient le vent.

 Il y a deux méthodes:

 1) "Est ce que tu m'entends? Est ce que tu me sens?"

Il faut fermer les yeux et tourner la tête jusqu'à sentir le vent sur son visage. Puis il faut pivoter la tête de chaque côté, droite/gauche, (légèrement) pour vérifier que le vent souffle avec la même force de chaque côté de votre visage et pour entendre le même "bruit" du vent dans chaque oreille.

 2)"Jeu de piste"

Il faut savoir repérer les indices pour trouver d'où vient le vent :

• On peut regarder les drapeaux, leurs ondulations indiquent la direction du vent.
• Les mouettes planent face au vent! 
• Sur le bateau, des bandes de tissu ou pennons accrochés au guindant*ou aux haubans*(cables du gréement qui supportent le mât) peuvent  fournir cette information.
• Les bateaux au mouillage pointent vers le vent (sauf dans des courants violents)*.

     guindant* (hauteur d'une voile ou d'un pavillon)         haubans*(cables du gréement qui supportent le mât)       *La voile pour les nuls

Dans un second temps,il est essentiel de comprendre les allures.

On les distingue en 2 catégories : les allures de près et les allures portantes. Les allures du près bon plein au grand largue sont des allures nettement plus faciles pour un débutant, et elles sont plus rapides donc plus amusantes.

Elles permettent le réglage optimisé des voiles en fonction de la direction choisie.

2 schémas explicatifs : le premier présente les 5 allures principales définies par rapport au vent, le deuxième propose un focus plus précis des allures (on dénombre 7 allures détaillées).

                                                        TRIBORD AMURES                     BABORD AMURES

                                                                                                             VENT

DECOUVRONS L'ANGLE MORT ET LES 7 ALLURES THEORIQUES

L'angle mort  ( zone rouge de notre graphique,A)

Angle d'environ 90° du graphique (45° de chaque côté de la direction du vent).

A NOTER : Il est impossible pour un voilier d'obtenir la puissance de ses voiles car celles-ci faseyent (battent) et le voilier s'arrête. On dit alors qu'il est face au vent ou en vent debout.

Les allures de près: Cette catégorie d'allures regroupe le près serré, le près bon plein et le petit largue (zones bleue, jaune et orange sur notre graphique,B1,B2,B3)

Il s'agit des allures les plus proches du vent auxquelles on puisse naviguer. Il existe trois allures de près : le près serré, le près bon plein et le petit largue.

Le près serré ( zone bleue de notre graphique,B1)

Angle de 5° environ sur le graphique.

A NOTER : C'est une allure intermédiaire entre le vent debout et le près ; cette allure permet de remonter au vent et de conserver son cap.

Conseil de pirate: C'est une allure difficile à conserver ; on peut vite se retrouver dans l'angle mort...Concentration maximum! 

Le bon plein (zone jaune de notre graphique,B2)

Angle de 10° environ sur le graphique.

A NOTER : C'est la seconde allure du près, bien connue des amateurs de sensations et de vitesse.

Le petit largue (zone orange de notre graphique,B3) 

Angle de 33,5° environ sur le graphique. 

A NOTER : C'est une allure de "transition", elle prépare "au travers".

Le vent de travers (2ème zone bleue de notre graphique,C)

Angle d'environ 5° sur notre camembert.

A NOTER : à cette allure le bateau navigue dans une direction perpendiculaire à celle du vent. Cette allure marque la séparation entre les allures de près qui permettent de remonter au vent et les trois allures suivantes qui sont les allures portantes.

Conseil d'un pirate: Laissez le bateau prendre de la vitesse ; réglez les voiles (creuses mais suffisamment bordées)... Un spi* à lancer ? 

 Un spi* ou spinnaker, voile d'avant très légère et très creuse hissée aux allures portantes

Les allures portantes: Cette catégorie d'allures regroupe le largue, le grand largue et le vent arrière ( zones rose, bleue claire et framboise;D1,D2,D3).

Le largue (zone rose de notre graphique,D1)

Angle majeur de 40° sur le graphique.

A NOTER : C'est la première allure portante.

Conseil à suivre...: Porté par le vent, roulé par la vague, laissez le bateau surfer!!

Le grand largue (zone bleue clair de notre graphique,D2)

Angle majeur d'environ 42° sur le graphique.

A NOTER : Cette allure portante couvre un secteur plus important que le largue.

Un p'tit conseil l'ami?: Attention au roulis!

Le vent arrière (zone framboise de notre graphique,D3)

Angle d'environ 20,5° sur le graphique.

A NOTER : C'est l'allure portante par excellence, mais dont le maintient est assez délicat.

Astuce du marin: Vous devez établir les voiles en les étendant le plus possible vers l'extérieur. On peut constater que le foc refuse de se gonfler lorsqu'on est en vent arrière. C'est parce qu'il se trouve sous le vent de la grand-voile. On peut donc obtenir un peu plus de puissance en établissant les voiles en "ciseaux" pour que le foc ne soit plus déventé (foc et grand-voile ne sont pas du même côté, cf dessin).* 

Remarque : le graphique se lit dans le sens des aiguilles d'une montre.  

*La voile pour les nuls