Compréhension de l'effet de carène

Imagine de regarder le bateau d'en haut, en vertical en dessous de toi, le mât t'apparaît comme un point. La force de propulsion est appliquée disons à un tiers de la hauteur du mât.
Bateau sans gîte, la force de propulsion est appliquée dans l'axe du bateau, d'en haut tu "vois" un vecteur aligné avec l'axe du bateau.
Le bateau gîte de 20° environ sur tribord: d'en haut tu vois le mât sur la droite (sa projection), la force de propulsion ne sera plus dans l'axe du bateau mais parallèle à celui -ci et appliquée dans un point écarté sur la droite. La résistance de carène étant toujours dans la coque, tu as une force propulsive et une force resistante parallèles et opposées (un moment), ce qui tout seul induit une rotation.

Si tu oublie volontairement la poussée des voiles ça marche aussi. Dessine les lignes de flottaison bâbord et tribord vue de dessus, cela forme deux arcs de cercle un à droite et un à gauche. Met les deux pointes de flèches >> vers l'avant. Le bateau suis la flèche sur laquelle il s'appuie.

Après tu peux t'intéresser au poussées veliques si tu veux, mais un kayak de mer toune aussi à la gîte et contre gîte.

Lorsque le bateau gîte la surface mouillée est dissymétrique il y a davantage de frottement du côté de la gîte que de l'autre. Ainsi le bateau tourne, lof.
Cet effet est compensé par le safran qui n'est pas dans l'axe du bateau. On estime l'angle d'environ 5 degrés suivant la gîte et le type de bateau

Sur un quillard à la gite, ce qui provoque surtout le lof, comme l'explique très bien Roberto, c'est le fait que le centre de voilure se décale sur le côté du bateau et ne se trouve plus juste au dessus du centre de carène. Si l'on est, par exemple tribord amure, on a donc le vent qui "pousse" (ou plus exactement "tire") un gréement dont le centre de poussée, à la gite, est sur la gauche du bateau et crée un couple avec la force de "freinage" de l'eau sur la carène.
Il y a aussi souvent la forme de la carène, dont les lignes d'eau se déforment à la gite pour rendre le bateau ardent. Mais ce n'est pas le cas de toutes les carènes. Une carène de scow, par exemple, aura ses lignes d'eau qui resteront plutôt "rectilignes" et dans l'axe de la marche à la gite, un peu comme un catamaran, et ne va pas rendre le bateau ardent à la gite.

L'explication de Roberto est la meilleure, l'influence des variations de surfaces mouillees est negligeable par rapport aux forces véliques. Prenez un laser et amusez vous à laisser la bôme partir au-dela de l'axe du mat au portant, vous allez vite comprendre !

A mon sens la réponse de Roberto est la bonne, de plus il évite astucieusement tout vocabulaire compliqué.

Pour faire la jonction avec des notions (simples) de mécanique et faire la synthèse des différents autres commentaires, je reformulerai de la façon suivante : la rotation (par la gite) du mat entraine une importante translation horizontale du point d'application de la force propulsive, dont la magnitude est en équilibre avec celle de la force de frottement dans l'eau de la carène. Le point d'application de cette force de frottement est peu déplacée par la gite. Par conséquent il se forme un couple, donc une rotation : le voilier lofe en l'absence d'action corrective. D'ailleurs si la gite est excessive le safran ne peut plus contrer ce lof puisque non seulement une action excessive le fait décrocher mais en plus le couple qu'il génère est de moins en moins bien orienté selon l'angle de gite, avantage ici aux bi-safrans.

La gite de la carène pourrait selon sa forme entrainer un léger déplacement du centre d'application des forces de frottement sous le vent, cela aurait tendance à générer un couple dont l'effet serait une légère abattée par rapport à la "force inertielle" qui elle est appliquée au centre de gravité. Ce dernier couple est bien moins important que le "couple de lof".

En kayak j'imagine que le fait de faire giter la coque entraine un déplacement du centre de gravité de l'ensemble kayakiste-kayak, ce qui entraine également la formation d'un couple entre force inertielle (appliquée au centre de gravité) et force de frottement avec pour conséquence une rotation du kayak, le nez s'éloignant du côté vers lequel on fait giter (je n'ai pas étudié cette question de plus près, corrigez moi si j'ai tort).

voici ce qui dit Pierre Gutelle à propos de la gite dans son tome 1 theorie du voiler

Franchement j'ai rien pigé à la majorité des explications...ce n'est pas à la portée de tous...perso quand je navigue je déteste la gîte aussi je règle mon voilier systématiquement pour quasiment ne pas giter y compris au près..et donc pour comprendre pourquoi le bateau lofe à la gîte j'ai une grande marge de progression quand à la compréhension du phénomène 😂 cordialement jean

C'est pas la carène qui engendre le coup de lof, c'est la quille. Plus elle est profonde et plus elle "tire" le bateau vers l'arrière du coté au vent pendant que les voiles "poussent" le bateau du coté sous le vent. C'est ultra simple à comprendre...

Sur l'importance comparée entre la composante au lof donnée par la seule carène gîtée (quand elle existe, d'autant plus une carène approche un solide de rotation cette composante tend à disparaître) et celle produite par la propulsion à voile, petit texte tiré de "Physics of sailing" (image du milieu)
Sous l'image de gauche, rect. rouge "Cette grosse composante aérodynamique noye/balaie les petits effets hydrodynamiques sur l'équilibre causés par la forme de la carène".
Autre dessin pour visualiser (l'image vient à 90° mais bon): bateau sans mât gîté vers la droite, vu de front --> si je le tire en avant, vers moi en gros par le point A sa carène gîtée tend à le le faire tourner vers la gauche.
J'enlève le filin de remorquage du point A et je le mets sur un mât contregité, point B, je le tire par là.
De quel coté va tourner le bateau? :)

Curieusement, quand on fait une recherche internet dans les différents forums, la discussion concernant la cause du mouvement de lof (qui est une rotation du voilier vers le vent) provoqué par la gite, est ancienne et ressurgit périodiquement avec exactement le même argumentaire que celui qui est déroulé ici. Ça m’a permis d’approfondir un peu la question et de développer mes idées sur le sujet.

En gros deux théories semblent s’affronter :
1- le mouvement de lof serait provoqué lors de la gite par la modification de la forme de la carène
2- le lof serait provoqué par la modification des couples de forces.

Tout d’abord je crois important de rappeler qu’en physique toutes les accélérations sont expliquées par des forces, les rotations par des couples (ou moments) de force. Lorsqu’il y a une rotation, et le lof en est une, c’est qu’il y a un ou plusieurs couples de forces en action. Un couple résulte de l'application de forces à des points différents, le moment de ce couple est proportionnel à cet écart. Reste donc à identifier correctement ces couples et d’en déterminer la magnitude pour comprendre leurs contributions à ce mouvement.

L’étude des forces en matière d’aéro et d’hydrodynamique n’est pas forcément très intuitive. La dynamique des fluides est une branche de la physique complexe avec de nombreux détails importants et des calculs complexes dont la compréhension nécessité l’emploi de techniques mathématiques de niveau disons post-Bac. Même avec les meilleurs schémas, en aucun cas les théories de la dynamique des fluides ne sont accessibles aux enfants de 5 ans, sauf cas exceptionnels. Mais sans aller aussi loin, on peut en extraire quelques principes qui nous aideront à mieux comprendre les phénomènes en jeu.

Je pense notamment à la force de portance. Il existe un grand nombre d’idées reçues à ce sujet alors que pourtant les théories qui l’expliquent correctement ont déjà plus d’un siècle. Mais on peut en trouver une bonne explication -sans trop de formalismes - dans les papiers d’Arvel Gentry qui avait fait une série à destination des voileux dans les années 1973 dans «  » en accès libre sur internet. D’ailleurs dans la 5è édition du cours des glénans que j’ai entre les mains ces théories sont également reprises mais imparfaitement alors que la 8è édition pêche par l'abandon pur et simple de ces théories, sinon quelques principes généraux de base. De nombreux autres traités approfondis comme le livre de Bernard Cheret "Les voiles" abordent également ces questions avec pas mal de pertinence. Pour aller plus loin il y a déjà wikipedia avec comme entrée de recherche par exemple "théorème de Kutta-Joukowski".

Il existe malheureusement une idée reçue tenace, mais fausse, selon laquelle la portance d’un profil se déplaçant dans un fluide résulterait d’une déformation unilatérale du flux de ce fluide dans laquelle se déplace ce profil. Cette théorie fausse veut qu’une accélération du flux du côté de la déformation importante serait la cause de la force de portance. Alors, même si le théorème de Bernouilli n'est bien entendu pas remis en question, le jeu des pressions est bien plus subtil que ce pourrait laisser penser un allongement du chemin à parcourir pour les molécules qui composent le fluide dans lequel se déplace le profil.

Pour aller vite, en première approximation et surtout aux vitesses de déplacement qui nous concernent, la force de portance dépend non de la forme mais de l’angle d’incidence du profil. Si vous ne me croyez pas, essayez d'expliquer comment un avion pourrait voler à l’envers ? En fait même un profil plat peut engendrer une portance avec un angle d’incidence correct. Cette notion d’angle d’incidence est pourtant fondamentale et est le point de départ de la véritable explication du fonctionnement et du réglage d’une voile, du fonctionnement d’une quille ou d’une dérive ainsi que d’un safran et même de la résistance à la dérive de la carène hors appendices. Les profils de la voile ou d’une aile ne font qu’optimiser le flux de l’écoulement sur l’extrados pour allonger la zone d’écoulement laminaire et réduire la trainée induite. Notons également que la force de portance est perpendiculaire au vent apparent, la trainée induite dans l'axe de ce VA.

Maintenant revenons à nos moutons.

Je dois dire que je n’ai pas complètement compris le sens des contributions ici concernant la forme de la carène. Si l’idée est que la forme de la carène déterminée par son contour à l’endroit où elle rentre dans l’eau serait le moteur de sa trajectoire, eh bien, cette idée me parait naïve. Tout d'abord les effets de déflexion de l'eau n'ont lieu que si le voilier avance. Sans erre, ou avec trés peu d'erre, ses déplacements sont erratiques ou je ne m'y connais pas. Si le vent souffle par le travers ou en avant, la dérive sera importante et ne suivra aucunement la forme de la carène, même gitée, perturbant manoeuvres de port ou départs sur la ligne. S'il a de l'erre et devient manoeuvrable, il existe un flux d'eau des deux cotés de la coque, quelque soit sa forme. L’écoulement de ce fluide entraine bien des différences de pression. Celles-ci agissent toutefois selon la mécanique des fluides et non selon une sorte de principe de trajectoire imposée. J’imagine que l’idée serait de faire une analogie avec le « carving » à ski, où la courbe de la planche du ski permet de diminuer le dérapage. Ou encore la pénétration plus facile d’une lame courbe dans le sable si la trajectoire suit cette courbe. C’est oublier que dans les deux cas on peut obtenir une trajectoire en « dérapage » strict et que la rotation n’est possible que si on laisse jouer des couples de force. Je n’ai d’ailleurs lu aucun traité physique de l’analyse des trajectoires de voiliers ou cet effet « carving » serait un élément dans la trajectoire d’un voilier à la gite ou non.

Par contre il est vrai que le déplacement de la carène génère bien une force de portance (dépendant de son angle d’attaque jamais nul au près à cause de la dérive), et une trainée induite qui en est le corollaire. La somme de ces forces s'oppose à la force de dérive qui résulte de la portance des voiles générée par le vent apparent. La carène a bien sur une trainée de forme qui est une fraction (de l’ordre de 10% de l’ensemble portance/trainée induite cf l'analyse de P. Oossanen plus bas). Toutes ces forces contribuent à l’effet de carène, et le papier cité par Calypso2 montre bien cela. Si le point d’application de la force de dérive est en avant du point d’application de la force de portance de la carène (je rappelle que la carène est un ensemble tridimensionnel immergé, comprenant aussi la quille ou la dérive qui est un des principaux contributeurs à la force s'opposant à la dérive), l’effet de l’ensemble est de la faire lofer et c’est généralement le cas.

Pour une analyse exhaustive des forces agissant sur une carène, voir le papier téléchargeable sur requête gratuitement en anglais proposé sur le site de Peter Oossanen().

Nous avons donc deux ensembles de forces dynamiques : d'une part les forces aérodynamiques, s'exerçant à une hauteur plus ou moins importante , résultant de la portance des voiles, de la trainée de forme et de la traine induite, et d'autre part les forces hydrodynamiques, avec surtout une portance liée à l'angle d'attaque du plan antidérive, la trainée induite et la trainée de forme de la carène. Il faut également ajouter la poussée d'Archimède et la gravité, dont les différences de centre d'application permettent de créer le couple de redressement corrigeant la gite provoquée par l'application au-dessus de ligne d'eau de la force aérodynamique.

Mais en pratique que se passe-t-il quand le bateau gite ?

Imaginons que nous avançons sur une mer plate ou très peu agitée, au près avec un vent établi à 10 noeuds (en dessous on aura quand même très peu de gite non ?). La différence de cap et de route détermine l'angle de dérive. Cet angle de dérive est l'angle d'attaque de la carène par rapport au flux d'eau. Nous sommes dans un quillard de masse importante de telle sorte que son centre de gravité varie peu, son point d’application des forces hydrostatiques qui s’oppose à la dérive et l’avancement du voilier est orienté en arrière, la somme des forces aérodynamiques est orientée en avant. Nous sommes à vitesse constante, la somme de toutes les forces est nulle. Nous avançons en ligne droite, la somme de tous les couples est également nulle. Le bateau gite à un faible angle constant, la carène est déjà asymétrique dans le sens du déplacement du voilier, optimisant sa force antidérive.

Que se passe-t-il si la gite augmente ? En pratique cela n’est possible qu’avec soit un déplacement du centre de gravité soit une augmentation des forces aérodynamiques s’exerçant sur le plan de voilure et dont le centre d’action se situe à la hauteur du premier tiers du mat comme l’a rappelé Roberto avec qui je me trouve en entier accord. La position exacte dans le sens avant arrière (ce qui détermine le caractère ardent ou mou du voilier) du centre d'action vélique global dépend des réglages du gréement et des voiles mais son hauteur est assez constante. Dans nos quillards au plan de carène statique, la gite n'est en pratique obtenue de façon significative que par l'accroissement des forces aérodynamiques. Or cette gite n’entraine pas en soi une modification de l’angle d’attaque de la carène dans l’eau, sa portance n’est donc pas ou très peu modifiée en magnitude, de même que sa trainée de forme. Le couple forces aérodynamiques/forces hydrodynamiques s'accroit comme illustré figure B page 243 de la 5è édition du cours des glénans, rappelé page 319 dans sa 8è édition : "A la gite, le centre de voilure se décale sous le vent du centre de carène. La composante propulsive de la force aérodynamique et de la composante de trainée de la force hydrodynamique ne sont plus alignées". Bon en fait dans mon cas de figure elles ne l'ont jamais été car le voilier était déjà gité. Cependant l'écart grandissant entre le point d'application de ces forces, le moment de ce couple s'accroit, ce qui déséquilibre l'ensemble en créant un mouvement de lof. Bien entendu une contre gite, voire même une simple diminution de cette gite aura un effet inverse (diminution du moment du couple, déséquilibre et abattée). Dans un voilier bien équilibré, dans un vent pas trop instable, ces effets de lof et d'abatée peuvent permettre à un voilier d'étaler de lui même risées et molles sans toucher du tout à la barre. Grandes économies du pilote automatique en perspective !

Au vent arrière c'est encore plus facile à comprendre : une gite de seulement quelques degrés provoquera un déplacement marqué du centre d'action vélique sous le vent avec un effet de lof garanti, avec accroissement du couple force vélique/force de trainée (qui est dans l'axe de la carène) et ce quelle que soit la forme de la carène. Quand on barre dans une mer formée il faut absolument anticiper cet effet. Par ailleurs le mauvais réglage du spi pourra déplacer le centre d'action vélique au vent avec un départ au tas en abattée catastrophique, un empannage involontaire à la clé.

Cas particulier : plus le voilier est léger plus on peut obtenir une gite en déplaçant le centre de gravité sous le vent. Cela modifie le couple "centre d’application des forces hydrostatiques"/"centre de gravité" qui fait également lofer. Un déplacement du centre de gravité au vent créant une contre gite et un mouvement d'abatée par diminution voire inversion du couple (tous les autres couples restant identiques par ailleurs). En aucun cas la déformation de la carène n’aurait un effet important sur le couple de lof sinon un déplacement latéral du point d’application de la somme des forces hydrostatiques.

Voilà pourquoi une gite excessive est néfaste, même si les coques modernes bi safran autorisent un peu plus de gite qu'avant, l'excès d'angulation du safran le fera quand même décrocher et provoquera une trainée de forme qui le transformera en frein puissant.

J’espère qu’à défaut d’être plus simples, ces explications sont au moins claires et permettront à ceux qui le voudront de se faire une idée plus précise sur la question. J’espère également ne pas avoir trop choqué les physiciens présents sur ce forum et surtout les spécialistes de la mécanique des fluides (je sais qu’il y en a ici).

Vous devriez aller a Venise et examiner la carène d’une gondole.
Une gondole part naturellement « au lof » du fait de la dissymétrie volontaire de sa forme de carène ce qui permet au gondolier de ramer toujours du même coté en utilisant intelligemment cette tendance naturelle a ne pas aller droit cqfd …

Il n'y a pas opposition entre les 2 explications proposées du lof d'un voilier qui gite. Elles ne se contredisent pas. L'une, l'effet de la dissymétrie de la forme de carène est une donnée de l'expérience : il est indéniable qu'une coque sans voile (canoé, planche à voile) loffe quand on la fait giter. Il suffit de faire l'expérience. L'autre, celle de la projection de la force aérodynamique n'est pas une donnée de l'expérience mais le résultat d'une formalisation tout à fait classique de décomposition de forces, elle est tout à fait acceptable. Le débat se situe donc sur l'importance respective de ces deux effets. J'ai développé plus haut pourquoi je pensais que l'effet de carène était beaucoup plus puissant que l'effet de la force. Il faudrait toutefois que les tenants de l'effet de la force reconnaissent que l'effet de la dissymétrie est indubitable.

SailCamille : Es-tu d'accord pour dire qu'un gouvernail fait tourner un bateau ? J'imagine que oui. Pour moi, la carène déformée (tordue) par la gite se comporte comme un système coque / gouvernail. Les filets d'eau sont déviés. Par réaction, le bateau tourne. Et on en revient une nouvelle fois à la première réponse de ce fil : la banane...

Quand à "c'est qui qui a la plus grosse" entre la force excentrée exercée par les voiles et celle exercée par la carène déformée par la gite, je vote, sans aucune notion de mécanique des fluides, pour l'effet de carène. Pourquoi ? Parce que j'ai l'impression le bateau devient ardent à la gite de la même façon quelle que soit l'allure, alors que la poussée vélique est plus forte au largue qu'au près. Et parce que, vent arrière, je n'ai jamais eu l'impression que le bateau était plus ardent sous gv seule qu'avec les voiles en ciseaux par exemple.

De toute façon, comme, si j'ai bien compris, les 2 effets s'additionnent... Je laisse les spécialistes mettre tout cela en équation.

Il est génial, ce forum. On cherche tous à comprendre...

Le plan des formes d'un célèbre bateau asymmétrique :)
ps je ne sais pas s'il y en a beaucoup d'autres, surtout si repandus

Exemple d'un cas limite d'une carène très fortement disymétrique.
En pointillés les coupes successives de la carène sous la surface, pour chacune on obtient un résultat identique, donc la somme des résultats va dans le même sens, celui d'une rotation vers tribord.

Pour répondre à la question posée il faut visiblement comprendre qu'il y a deux facteurs :

• le déplacement du point d'application de la force motrice (voile) et les explications de Roberto sont parfaitement claires

• l'effet du changement de carène créant une dissymétrie.
  C'est là que c'est plus difficile à expliquer. Il faut donc forcément passer par l'hydrodynamique ou l'aérodynamique.
  J’évoquais l'aile d'avion qui aurait pu avoir un effet piqueur du à la surpression sur l'avant de l'extrados et une dépression sur l'arrière de l'extrados. Merci à missingdata pour le schéma : c'est ce que je tentais d'expliquer. Il faudrait rajouter sur ce schéma une dépression sur l'arrière du bateau pour bien faire apparaitre l'effet de couple le faisant pivoter.

Attention toutefois : telles que présentées, la résultante des forces feraient en sorte de ralentir le bateau du coté gité (Vecteur BOy assez important dirigé vers l'arrière). Mais si ces forces étaient représentées de manière réelles (càd en tenant compte de la partie arrière du navire ET de l'hydrodynamique) on obtiendrait effectivement un couple de forces faisant pivoter le bateau.

c'est comme en ski!
tu appuis sur le quart intérieur du virage

Bon en allant sur Wipédia j'ai trouvé ce que je pressentais : un aile d'avion "à plat" a un moment piqueur. Si on fait le parallèle avec le bateau, je pense que le dessin joint complète celui donné par missingdata. On voit ici que si on considère que le profil est un bateau, il va virer à gauche sous l'action des 2 forces.

C'est juste l'idée, les effets dynamiques dans l'air étant différents de ceux dans l'eau.

la vache ....

allez, je prend le train en route :-)

Si le voilier est en équilibre, c'est que les forces véliques sont ni plus ni moins égales aux forces hydrauliques (carène). Donc déjà à la base je ne vois pas pourquoi il faudrait négliger plus l'une que l'autre... :-)

Et paf dans la marre ... pardon, dans l'océan :-)

S'il n'est plus en équilibre, c'est qu'il y en a une des deux qui prend le pas sur l'autre ... c'est un combat, que les théories successives et contradictoires de cette discussion représentent parfaitement :-)

Qui va gagner ? :-) tout ça pour finir en statique au port ... franchement...

on peut aussi parler de la précession gyroscopique de l'hélice à la gîte ? :-) tiens... je sens que je vais la faire celle là ...

Ben alors Alex72?