Comment fonctionne un foil et pourquoi il “soulève” un bateau : portance, pression, traînée, décrochage et cavitation, expliqués avec des chiffres.
Un foil est une aile sous-marine. Il transforme la vitesse d’un bateau en force verticale. Cette force s’appelle la portance. Le principe est plus simple qu’il n’y paraît : quand un profil avance dans l’eau avec un certain angle d’attaque, il dévie l’écoulement vers le bas et crée une différence de pression entre ses deux faces. Résultat, une force apparaît vers le haut. La portance augmente très vite avec la vitesse, car elle dépend de la vitesse au carré. C’est pour cela qu’un bateau “décolle” d’un coup quand il atteint une vitesse seuil. Mais le foil ne fait pas de magie. Il paie la portance par de la traînée, il peut décrocher si l’incidence est trop forte, et il peut caviter si la pression chute trop bas. La réussite d’un bateau à foils vient donc autant de la physique que du contrôle de stabilité : garder la bonne hauteur, la bonne incidence, et éviter les régimes instables.
Le foil et ce qu’il change vraiment sur un bateau
Un foil est une surface portante immergée, fixée sous une coque, un bras, un safran ou une dérive. Le but est de soulever une partie, puis parfois la totalité, du bateau hors de l’eau. On réduit ainsi fortement la surface de coque en contact avec l’eau. La traînée de frottement chute. La vitesse grimpe.
Il faut être franc. Un foil ne rend pas un bateau “facile” par nature. Il rend un bateau plus efficace à partir d’une certaine vitesse. En dessous, il ajoute parfois de la traînée. Et surtout, il introduit une nouvelle contrainte : la stabilité en hauteur et en assiette devient un sujet majeur.
La portance et la différence de pression, sans mystique
La portance d’un foil se comprend avec deux idées concrètes.
Première idée : un foil bien réglé dévie l’écoulement d’eau vers le bas. Si l’eau est déviée vers le bas, le foil reçoit une réaction vers le haut. C’est une lecture “action-réaction” simple et robuste.
Deuxième idée : cette déviation s’accompagne d’une différence de pression entre l’extrados (face “haut” du foil) et l’intrados (face “bas”). En général, la pression devient plus faible sur l’extrados, plus forte sur l’intrados. La somme des pressions sur la surface donne une force nette vers le haut.
On entend souvent “c’est Bernoulli”. Oui, mais pas seulement. Bernoulli aide à relier vitesse d’écoulement et pression. Mais la cause profonde d’un foil qui porte, c’est l’organisation globale de l’écoulement, donc la déviation de masse d’eau et la circulation autour du profil. C’est plus complet, et ça évite les explications bancales.
La formule de la portance et ce que chaque terme signifie
En ingénierie, on résume la portance par une équation pratique :
L = 1/2 × ρ × V² × S × C_L
- L est la portance (en newtons).
- ρ est la densité de l’eau. En eau douce, on prend environ 1 000 kg/m³. En mer, on est plutôt vers 1 025–1 026 kg/m³.
- V est la vitesse relative du foil dans l’eau (en m/s).
- S est la surface portante projetée (en m²).
- C_L est le coefficient de portance, qui dépend du profil et de l’incidence.
Le point qui change tout est V². Doubler la vitesse multiplie la portance par quatre, à surface et C_L identiques. C’est la raison physique derrière le “décollage” souvent brutal : avant la vitesse seuil, la portance est insuffisante ; juste après, elle explose.
Un exemple chiffré pour rendre le phénomène concret
Imaginons un bateau dont la masse à soutenir est 1 000 kg. Son poids vaut environ 9 810 N.
À 10 m/s (36 km/h, soit environ 19,4 nœuds), en eau de mer (ρ ≈ 1 025 kg/m³), la pression dynamique vaut :
q = 1/2 × ρ × V² = 0,5 × 1 025 × 100 ≈ 51 250 Pa.
Si le foil travaille à C_L = 0,6 (valeur réaliste en régime “propre”), la surface nécessaire est :
S = L / (q × C_L) ≈ 9 810 / (51 250 × 0,6) ≈ 0,32 m².
0,32 m², ce n’est pas gigantesque. C’est précisément pourquoi les foils fonctionnent : l’eau est dense, et la vitesse fait le reste. Mais si vous baissez la vitesse, la surface requise grimpe très vite.
L’angle d’attaque et le moment où tout bascule
L’incidence, ou angle d’attaque, est l’angle entre le profil et le flux d’eau. Augmenter l’incidence augmente généralement C_L, donc la portance. Jusqu’à une limite.
Au-delà d’une incidence critique, l’écoulement se décolle du profil. Le foil perd brutalement de l’efficacité. C’est le décrochage. Sur des profils classiques, l’incidence de décrochage est souvent de l’ordre de 10 à 15 degrés, selon le profil et le régime d’écoulement.
C’est un point clé en foiling. Quand un bateau monte trop haut ou tape une vague, l’incidence peut varier brutalement. Si le foil décroche, la portance s’effondre, le bateau retombe, puis le foil “reprend”. Ce cycle peut devenir inconfortable, voire dangereux, si le contrôle n’est pas maîtrisé.
La traînée et le prix à payer pour “voler”
Un foil ne donne pas de portance gratuitement. Il génère de la traînée. Il y a deux composantes principales.
La traînée de profil
C’est la somme du frottement visqueux (peau) et de la traînée de forme. Elle augmente avec la vitesse et dépend de l’état de surface. Un foil mal fini, sale, ou rayé, perd vite en rendement.
La traînée induite
C’est la traînée “liée” à la production de portance. Plus vous demandez de portance, plus vous payez en traînée induite. Elle diminue quand l’allongement (foil long et fin) augmente. C’est une raison pour laquelle les foils de performance sont souvent fins et à grande envergure.
Le compromis est permanent : plus de portance pour décoller tôt, mais plus de traînée et plus de sensibilité ; moins de portance, mais un décollage plus tardif et parfois une vitesse max meilleure.
Le nombre de Reynolds et pourquoi un petit foil n’est pas un grand foil réduit
Le comportement d’un foil dépend du régime d’écoulement, souvent résumé par le nombre de Reynolds. C’est une grandeur sans unité qui compare inertie et viscosité. En pratique, il dépend de la vitesse, d’une longueur caractéristique (corde du foil) et de la viscosité de l’eau.
Pourquoi c’est important ? Parce qu’un profil qui marche bien sur un grand foil à 25 nœuds ne se comporte pas forcément pareil sur un petit foil à 12 nœuds. Les couches limites se développent différemment. Le décrochage peut arriver plus tôt. La traînée peut exploser. C’est pour cela que les foils de série sont souvent plus tolérants, moins “pointus”, que ceux de compétition.
La cavitation, le mur invisible des hautes vitesses
La cavitation apparaît quand la pression locale dans l’eau descend sous la pression de vapeur saturante. L’eau “bout” localement et forme des bulles de vapeur. Ces bulles implosent ensuite en zones de pression plus élevée. Cela fait du bruit, des vibrations, une perte de portance, et parfois de l’érosion.
À 20 °C, une valeur typique de pression de vapeur est autour de 2,3 kPa.
Ce chiffre est petit comparé à la pression atmosphérique (environ 100 kPa). Mais à grande vitesse, les chutes de pression sur l’extrados peuvent devenir suffisamment fortes pour approcher ce seuil, surtout si le foil travaille à forte incidence ou si son profil est agressif.
Il faut être clair : sur un bateau très rapide, la cavitation n’est pas un “risque théorique”. C’est une contrainte de conception. Elle influence le choix du profil, la finition, la rigidité, et parfois le matériau.
La ventilation et le piège de l’air aspiré
Autre phénomène pénible : la ventilation. Ce n’est pas la cavitation. La ventilation, c’est quand de l’air de surface est aspiré le long d’un foil et envahit l’extrados. Le foil perd alors brutalement de la portance car il n’est plus dans un fluide homogène.
Les foils proches de la surface y sont sensibles, surtout en virage ou dans le clapot. C’est une des raisons pour lesquelles certains systèmes préfèrent des foils plus immergés, avec un contrôle actif de la hauteur.
Les architectures de foils et leurs logiques de stabilité
Il existe deux grandes familles d’architecture.
Les foils perçant la surface
Une partie du foil sort de l’eau. Quand le bateau monte, la surface immergée diminue, donc la portance baisse. C’est une forme d’auto-stabilité simple. C’est efficace, mais souvent moins performant et plus sujet aux perturbations de surface.
Les foils entièrement immergés
Le foil reste sous l’eau. C’est performant, mais instable par nature : si le bateau monte, la portance ne diminue pas automatiquement. Il faut un contrôle. Sur certaines classes, on utilise des systèmes mécaniques (wand), des flaps, ou des réglages d’incidence. Sur des bateaux motorisés récents, on trouve des systèmes électroniques de contrôle d’assiette, basés sur capteurs et actionneurs.
Dans tous les cas, le sujet central est le même : garder le bon couple portance/traînée et éviter les variations d’incidence qui font décrocher ou caviter.
Le vrai secret du foiling : le contrôle, pas la “puissance”
On lit parfois que foiler, c’est “mettre plus de puissance”. C’est incomplet. La puissance aide à atteindre la vitesse de décollage. Mais la différence entre “ça vole” et “ça vole bien” tient surtout à la stabilité.
Un bateau à foils qui marche est un système. Profil + structure + réglages + pilote + mer. La portance se calcule. Mais la stabilité se gagne à force de compromis. Trop raide, c’est inconfortable et fragile. Trop souple, c’est instable. Trop agressif, ça cavite. Trop sage, ça ne décolle pas.
La fin de l’illusion et le début du bon sens
Le foil n’est ni un gadget, ni une baguette magique. C’est une application très concrète de la mécanique des fluides. Elle récompense la rigueur. Un bon foil est celui qui porte au bon moment, avec une traînée acceptable, sans décrocher, sans ventiler, et sans caviter dans l’usage visé. Tout le reste, c’est du discours.
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