Comment le bateau suit-il sa route ? Simplement en profitant du Vent Apparent .
Le vent apparent est celui, par exemple, que rencontre un cycliste sur la route dans une journée calme et pourtant il sent le vent lui frôler le visage, c’est bien le Vent Apparent de direction contraire que le cycliste crée lui-même en se déplaçant à bicyclette. Le vent réel était zéro.
Considérant les allures au Prés serré , Largue ou Vent arrière on indique souvent le Vent Réel par rapport à la direction du bateau tandis que c’est le vent « Apparent « qui fait avancer le bateau en exerçant sa force sur les voiles. Le Vent Apparent dérive de la résultante du Vent Vrai avec la Vitesse du bateau. En réalité c’est le bateau qui crée son propre vent comme le cycliste.
 
La figure suivante décrit la relation entre les différents paramètres :

Fig. 47

Par ce diagramme on note la capacité d’un voilier à « remonter » le vent.
Entre la direction du vent et la direction réelle du bateau il y a quelques 45°, ce paramètre évolue plus ou moins selon les caractéristiques du bateau. L’angle entre le Vent Apparent et le Vent Réel augmente en fonction de la vitesse du bateau, le Vent Apparent est plus intense aux allures de Prés tandis que le Vent Réel est plus fort aux allures portantes. Au vent arrière le Vent Apparent et le Vent Réel sont sur le même axe et le Vent Réel est plus fort.
Pour améliorer la vitesse du bateau on a intérêt, au vent arrière, à s’écarter de la direction du vent réel de quelques degrés pour obtenir un meilleur rendement des voiles. Sur les bateaux grandeur nature utilisant le Spinnaker ou Foc Ballon, cet écart est un « must ».

La forme des voiles est un facteur déterminant sur les performances globales d’un Voilier moderne. Les maquettes profitent mieux de ce facteur à cause des technologies modernes.
L’utilisation de mâts en fibre de carbone assure une grande robustesse et les voiles peuvent employer des forts allongements qui assurent un meilleur rendement comme pour les ailes de planeurs.
 

Fig. 48

Le graphique de la Fig. 49 est très intéressant pour montrer qu’une voile étroite et haute a un rendement plus élevé à des faibles incidences entre 8° et 20° qu’une voile carrée. A partir de 25°/30° les voiles carrées sont meilleures. Les gréements des bateaux anciens comme, par exemple, les gréements auriques ou même plus récents comme celle d’un Optimist en sont la preuve.
De ce diagramme on peut aussi déduire qu’une aile avec un fort allongement permet de serrer mieux le vent.
 

Fig. 49

Le progrès aéronautique a influencé le développement des voiles.
Sur la revue Yachting Monthly de 1919 on écrivait : « ... on peut affirmer sans peur d’être contredit que le soudain progrès fait par les études aérodynamiques des derniers vingt ans ont modifié la conception des voiles mais on ne sait pas encore si c'est dans la bonne ou mauvaise direction ... ». Quelqu’un encore soutenait à la même époque que les progrès aéronautiques avaient fait plus de mal que de bien à la conception des voiles. On laisse ces propos à ceux qui les ont écrit !

Il faut savoir que, entre une voile et une aile d’avion, il y a de toute façon des grandes différences, l’aile reçoit le vent d’une façon constante à haute vitesse et toujours venant de la même direction et avec des angles d’incidences constants et relativement faibles sauf pendant les manoeuvres de décollage ou d’atterrissage, tandis qu’une voile de bateau reçoit un flux d’air bien plus lent (vent) et par nature instable en intensité et en direction.
Les voiles étant une structure verticale, elles connaissent aussi d’autres problèmes relatifs au vrillage et aux interférences avec leur support indissociable qu’est le Mât.
 

Fig. 50

Vue la vitesse d’un voilier par rapport à celle d’un avion, les profils utilisés sont relativement plus épais, mais aussi très flexibles et déformants.
Le flux d’air rencontrant le mât crée à l’intrados une poche « bulle de séparation » avant de rencontrer plus loin la toile de la voile (Fig. 50). Le même type de phénomène se manifeste sur l’extrados , mais avec une « bulle » plus petite, cette dernière étant beaucoup plus dégradante pour les performances globales. Dans ces poches, l’air stagne et génère aussi des tourbillons qui rendent le flux turbulent.

Le rendement de la voile est fonction d’autres facteurs comme la vitesse du flux qu’elle rencontre, la courbure et la position du creux et aussi de la température de l’air pour étrange qu’il puisse apparaître.
 

Fig. 51

Les facteurs qui contribuent au rendement d’une voile sont essentiellement deux, le premier correspondant au rapport corde/creux et le second correspondant à la position de ce dernier.

Les essais montrent à basse vitesse et au près serré que plus la voile est creuse plus la portance augmente, mais cela veut aussi dire qu’il y aura une poussées latérale non négligeable. Il y a donc une limite imposée par les caractéristiques de stabilité du bateau, dans ce cas il sera prudent de réduire la convexité de la voile qui réduira aussi la force propulsive.

Pour ce qui concerne la position du creux par rapport à la corde, le meilleur compromis est celui de positionner le creux autour entre 40 et 50% (Fig. 51). Le vrillage avec vent faible peut présenter quelques avantages sur la portance cependant sur les petits voiliers radiocommandés, les bénéfices induits par le vrillage de la Grand Voile sont encore moins évidents sachant que l’air crée de turbulences au niveau de l’eau qui ne sont pas contrôlables.
Un facteur très important concerne les caractéristiques d’allongement et comme déjà dit dans le cas d’une dérive, une grande partie de la portance se crée vers les hauteurs où le vent est aussi plus régulier.
Il faut cependant tenir compte aussi des turbulences entre les deux faces qui sont présentes au sommet du triangle de la voile et aussi au niveau de la bôme. Ces turbulences sont réduites sur les voiliers de compétition en coupant une partie du triangle au sommet et en ajoutant une barre de soutien et en bas en portant la bôme le plus près du pont pour essayer de réduire le passage de l’air d’une face à l’autre de la voile.
 
Sur certains grands voiliers, les architectes ont souvent adopté pour la bôme une forme plate et large qui avait le but d’éviter le passage d’air entre la surface interne et celle externe. Le Foc , lui, tire le meilleur avantage en faisant adhérer sa bordure près du pont. Pour l’histoire, en 1930 la bôme du voilier américain Enterprise était tellement large qu’on la surnomma quelque chose comme Grand Avenue ou Boulevard.

Par le diagramme de la Fig. 49 on apprend deux choses, la première que pour des allures de près, avec des faibles incidences, il serait souhaitable d’avoir des forts allongements, tandis que pour des incidences plus importantes ou allures portantes, les voiles larges et basses seraient meilleures.
Une voile très haute présentera aussi un centre vélique plus haut qui réduira la stabilité transversale du bateau.
                    
La Fig. 22 (cf Genoa ne connaissent pas ce problème et peuvent en tirer meilleur parti.
                                   

Fig. 52

Il y a beaucoup de théories développées dans les textes spécialisés sur l’interrelation existant entre Foc et Grand-voile, on prétend que le Foc influence dynamiquement le passage du flux d’air entre les deux voiles pour améliorer les performances globales. Une théorie évoque l’effet « Venturi » par lequel la vitesse d’un flux augmente si la fenêtre de sortie du tunnel est plus étroite que celle de l’entrée. On affirme aussi que le Foc et la Grand-voile forment un tunnel et que la Grand-voile profite de la vitesse du flux généré par le Foc.
Les essais on montré au contraire, que le flux en proximité du mât ralentit et dévie vers le haut. Le flux se déplaçant en hauteur rencontre le bord d’entrée du Foc avec un angle d’incidence majeur de celui qu’il aurait eu avec un flux non perturbé. Dans ces conditions c’est le Foc qui peut serrer le vent et augmenter sa portance. La réduction de vitesse du flux sur la surface interne de la Grand-voile est, tout comptes faits, pas négatif vu qu’elle produit aussi une réduction de la pression sur les deux faces et par conséquence le point de séparation se déplace vers la chute réduisant ainsi les pertes.
Enfin un autre aspect positif de l’interrelation Foc - Grand-voile est celui représenté par un flux plus stable et une tolérance majeure aux variations d’incidence retardant ainsi le phénomène de « décrochage » .
Une grand-voile seule a probablement un rendement élevé mais de faibles variations d’incidences provoquent facilement le décrochage avec comme conséquence la perte de vitesse soudaine.
 
                           

Fig. 53

Une possible interprétation serait de considérer les deux profils minces représentés par la Grand-voile et le Foc, en un seul profil épais capable d’offrir une portance supérieure à basse vitesse comme celle d’un voilier (Fig. 53).