La force aérodynamique est due à la déflexion de l'air qui arrive sur la voile. En effet, dans un champ de vent uniforme, l'air qui frappe le coté sous le vent est comprimé car il est obligé de passer par un espace plus petit. Tandis que coté sous le vent, un vide devrait se créer, ce vide est compensé par la déflexion de filets d'air mais cela n'empêche pas une dépression de se former.
La somme de ces deux effets, pour deux tiers la dépression, pour un tiers la compression crée la force aérodynamique. Cette force s'exerce partout sur la voile mais on peur la résumer à une force unique, perpendiculaire à la corde de la voile. On peut aussi remarquer que cette force est plus importante au guindant, près du mat qu'a la chute de la voile. En théorie, cette force est proportionnelle à la surface de la voile et au carré de la vitesse du vent. De même on peut penser que plus la voile défléchit le vent, plus la force aérodynamique est importante.
En réalité, on s'aperçoit qu'il en est tout autrement, deux variables interviennent dans la valeur de cette force : l'angle d'incidence, c'est à dire l'angle que fait la voile avec le vent, et la forme de la voile principalement caractérisée par deux grandeurs théoriques, l'allongement et le creux.
Facteurs influant sur la force aérodynamique :
Pour étudier l'influence de l'angle d'incidence, l'angle de la voile par rapport au vent, sur la valeur de la force aérodynamique, on peut observer une courbe polaire. On s'aperçoit que pour une voile marconi d'allongement et de creux moyens, sa valeur est maximale pour un angle d'incidence de 15°. Elle croit de façon constante pour des angles inférieurs mais après cette valeur critique, on observe une brusque chute de sa valeur qui se maintient plus ou moins constante jusqu'à un angle de 90°.
Ceci peut s'expliquer par un phénomène de décrochage. En effet tant que les angles d'incidence sont assez faibles, l'écoulement de l'air autour de la voile est régulier, on parle d'écoulement laminaire, l'action du vent sur la voile est efficace. Mais après la valeur de 15°, le vent rebondit sur la voile coté au vent et coté sous le vent l'air n'arrive plus à combler le vide. L'écoulement est devenu turbulent, c'est le décrochage.
A l'aide d'une courbe de même type, on peut étudier l'orientation de la force aérodynamique en fonction de l'angle d'incidence. De manière générale, on peut dire que cette force est orientée en avant de l'angle d'incidence, ce qui est bien entendu intéressant. Cette différence d'angle est particulièrement importante pour l'angle critique de 15°. On peut aussi voir que pour des angles très faibles, de l'ordre de 5° , la force est orientée vers l'arrière.
Ces mêmes courbes peuvent aussi servir à visualiser des comparaisons entre différents types de voiles. Et d'étudier ainsi l'influence de l'allongement et du creux.
L'allongement d'une voile est défini par :
-
A=H2/S
Avec H la Hauteur de la voile et S sa surface.
De façon plus simple on peut écrire pour les voiles triangulaires :
-
A=2H/B
Avec B la bordure de la voile c'est à dire la base du triangle qu'elle forme.
Sur ce graphique sont tracées les polaires de trois voiles de même surface et de même creux mais d'allongement différent. Une voile Marconi, triangulaire, d'allongement 6 une autre d'allongement 3 et une voile aurique d'allongement 1.
On remarque que :
-
- aux faibles angles d'incidence la voile d'allongement le plus important
est celle qui développe la force la plus importante et la mieux orientée,
cependant cette voile décroche plus vite
-
- pour des angles d'incidence entre 25° et 30°, la voile aurique développe
une force beaucoup plus importante que les voile marconi, mais la perte
de puissance due au décrochage est d'autant plus importante que la force
était grande
- on comprend aussi pourquoi les voiles auriques sont peu utilisées de nos jours, comme elles perdent leur efficacité en dessous d'un angle de 25°, ces voile ne permettent pas de remonter au vent facilement
Cet autre graphique nous montre les polaires d'une même voile réglée avec des creux différents. Le creux est donné en pourcentage par rapport à la longueur de la bordure de la voile. On peut en tirer les constatations suivantes, plus le creux est important :
-
- plus la force développée par la voile est grande, cette différence étant
plus importante pour de faibles angles d'incidence
-
- plus la voile peut défléchir le vent d'un angle important sans décrocher
- plus la force aérodynamique est orientée vers l'avant En théorie, on aura donc intérêt a donner le plus de creux possible a la voile, cependant, par vent fort, il peut être intéressant de réduire ce creux pour diminuer la force aérodynamique développée par la voile.
On peut aussi noter que la position du creux influe sur ces valeurs, il vaut mieux qu'il soit situé sur le guindant, l'avant de la voile, que sur la chute, l'arrière.