Couple de redressement et chavirage d’un voilier

Pour tous les voiliers qui naviguent par gros temps, l’état de la mer peut rapidement devenir plus problématique que le vent. En effet, il est en partie possible de s’en soustraire en réduisant la toile, alors que se soustraire aux vagues est beaucoup plus difficile.  La réglementation définis quatre catégories de conception, dénommées A, B, C et D, correspondant à des fourchettes de valeurs en termes de force du vent et de hauteur significative des vagues, définies aux fins de la conception.

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La catégorie A exclue toutefois des conditions exceptionnelles telles que des orages, des tempêtes violentes, des tornades et des conditions maritimes extrêmes ou des vagues énormes

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Il est important de connaitre la catégorie de son bateau, la météo pour la période de navigation et la capacité de son équipage pour décider si l’on peut prendre la mer ou non. On se renseignera également sur la zone de navigation étant donné que des effets de site vont influencer grandement sur la force du vent ou la hauteur des vagues. Par exemple, à l’abri d’une baie, les vagues seront logiquement inférieur à ce qui peut être annoncé dans la situation générale. Au contraire, l’effet venturi entre deux iles peuvent augmenter la force du vent localement.

De manière générale, la longueur des voiliers est un atout de sécurité de choix. Plus le bateau est petit, moins il résistera à l’envie des vagues de le coucher. Lorsqu’un voilier est frappé par le travers par une vague faisant 1/3 de sa longueur de flottaison, elle peut le coucher, au-delà de 2/3 elle peut le faire chavirer. Le choix de la zone de navigation, de se dérouter ou même de ne pas sortir et de l’orientation du positionnement par rapport au vague est donc primordiale. Plus l’angle de gite critique est important, plus le voilier est stable à l’endroit et instable sur le dos. 

Le type de voilier influence ça capacité à résister aux vagues (du fait de son moment d’inertie). Schématisons à l’extrême 2 voiliers pour comprendre :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Pour mieux comprendre : Le moment d'inertie et l'énergie cinétique de rotation
La masse inertielle m d'une particule est la mesure de son inertie de translation. Elle représente l'opposition qu'offre un corps à voir changer son état de mouvement de translation. En rotation, c'est le moment d'inertie I d'un système qui représente la mesure de l'opposition qu'offre ce système à voir changer son état de mouvement de rotation autour d'un axe (accélération angulaire). La figure suivante représente un système composé de deux particules m1 et m2 reliées entre elles par une tige de masse négligeable. L'ensemble est en rotation à une vitesse angulaire w (en rad/s) autour d'un axe situé à une distance r1 de m1 et r2 de m2.

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Pour obtenir les propriétés du moment d'inertie du système illustré ci-haut, considérons l'expression associée à son énergie cinétique (énergie associée au mouvement). Pour des particules possédant une vitesse de module v et une masse m, l'énergie cinétique est donnée par l'expression :

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K = ½ mv²

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L'énergie cinétique (de translation) du système illustré a donc pour expression :

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K = ½ m1v1² + ½ m2v2² = Ktrans

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La vitesse de translation (sur une trajectoire circulaire) de chacune des deux masses est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation du système. L'énergie cinétique associée à la rotation du système est donc proportionnelle à ω². Puisque ѵ = ω r, en remplaçant v1 et v2 par ω r1 et ω r2 dans l'équation précédente on obtient

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K = ½ m1(ω r1 )² + ½ m2 (ω r2 )² 

 

K = ½ [m1r1² + m2r2²] ω ² 

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Si la forme générale de l'expression de l'énergie cinétique de rotation est :

 

Krot = ½ I ω ²

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L'expression du moment d'inertie du système est donc :

 

I = [m1r1² + m2r2²]

 

Cette expression met en évidence l'importance de la distribution de la masse autour de l'axe de rotation. Ainsi, plus la masse est proche de l'axe de rotation, plus l'inertie de rotation (le moment d'inertie) sera petite (et vice-versa bien sûr).

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Prenons l’exemple d’un voilier sans mat, il a tendance à chavirer plus facilement qu’un voilier avec son mat car le moment d’inertie transversale se réduit et la période devient très courte. Plus un moment d’inertie est grand, plus la résistance au chavirage augmente car un petit couple va créer une accélération supérieure. Si on compare un dériveur intégral qui a un gréement léger et un centre de gravité relativement bas comparé à un monocoque classique qui a un centre de gravité plus haut, donc un moment d’inertie plus grand, le monocoque classique aura une meilleur résistance au chavirage. De plus, plus la carène est large, plus la période est courte, donc plus les mouvements transversaux sont brutaux et moins la résistance au chavirage est importante. D’autre part, plus le déplacement est important, en générale, plus la surface mouillée est importante et permet d’amortir l’inclinaison de la coque grâce à la friction de l’eau, donc le voilier résiste mieux au chavirage.

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Moment de redressement d’un Sun Odyssée 30i à charge maximum et charge minimum

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Le croche pied d’une vague à un voilier correspond au fait que le centre de carène se déplace du côté de la vague et que le centre de gravité ne bouge pas (réduction moment redressement et inversion). Par conséquent, la poussé d’Archimède qui s’applique à ce centre de carène va créer un moment d’inclinaison qui va faire giter le voilier du côté opposé de la vague. La composante verticale de la poussé de la vague s’additionne à la poussé d’Archimède ce qui amplifie le moment d’inclinaison :

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La composante horizontale, tend à faire déplacer le voilier horizontalement, engendrant une opposition du plan antidérive, générant un second couple, cherchant à faire chavirer le navire.

Pour résumer, le choc des vagues ou le phénomène de croche pied ont tendance à faire chavirer un navire, les carènes ont une importance primordiale dans la tenue aux vagues. Les caractéristiques architecturales permettant à un voilier d’être rapide dans du petit temps sont souvent préjudiciable à la sécurité du navire par gros temps.

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Si on a la chance que le bateau se redresse, il ne faut pas que cela se fasse trop rapidement au risque de casser le mat, ni trop lentement pour ne pas lui laisser le temps de se remplir d’eau et ainsi ajouter plusieurs centaines de kilos au gréement, augmentant la stabilité du voilier à l’envers. Le roof permet de diminuer la stabilité du voilier à l’envers, un roof un peu gros, bien qu’il apporte du confort à l’endroit, a aussi une utilité à l’envers.

 

GROS TEMPS | SE PRÉMUNIR DU CHAVIRAGE

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Le gros temps commence quand la hauteur des vagues est supérieure à la largeur du voilier. Pour rappel, c’est la mer qui est dangereuse pas le vent : 8 beaufort et peu de mer en bai de Quiberon sont plus commode que 7 beaufort opposé au courant au raz de sein ! Ne pas oublier qu’en côtier, les vagues sont influencées par la configuration de la côte, le courant et la profondeur (comme par exemple l’amplification des vagues sur un banc de sable). Un brisant* peut appliquer jusqu’à 70T par m².

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La survie d’un voilier dans de très grosse vagues au large dépend de sa taille et de sa capacité à rester aligné dans l’axe de la mer soulevé par la tempête. Pour chavirer un voilier de 18 m, il faut 24 soit 16 fois plus de puissance à une vague pour chavirer un voilier de 9m. En 1979, année tristement célèbre pour la course du Fastnet, aucun voilier de plus de 45 pieds n’a chaviré, ce qui n’est pas le cas des embarcations plus petite. De plus dans le cas de la mer du vent, statistiquement, une vague sur 23 est 2 fois plus haute que la moyenne, 1/1175 est 3 fois plus haute et 1/30 000 est 4 fois plus haute.

Pour rester dans l’axe de la mer du vent, la solution est l’ancre flottante. Les ancres peuvent être mise à la poupe ou à la proue du voilier selon les conditions et le modèle. Pour les ancres flottantes tenues par la proue, cela permet au voilier de présenter son étrave à la mer (partie la plus renforcée) mais quand le câblot se détend, le voilier quitte momentanément l’axe perpendiculaire aux vagues : très problématique en cas de déferlante ! Quand l’ancre flottante est à l’arrière, même si le câblot de l’ancre se détend un peu, le voilier peu rester dans l’axe, donc augmenter les chances de survie de l’équipage. Attention la taille de l’ancre doit être adaptée à la longueur du voilier. De plus la longueur doit être de 2 fois la longueur d’onde des vagues. Bien que la mise en fuite avec ancre flottante soit une bonne défense, une bonne préparation du bateau, de l’équipages est indispensable par gros temps.

 

L'ancre flottante permet de stabiliser une embarcation désemparée dans le mauvais temps, lorsque la cape puis la fuite vent arrière ne sont plus tenables. Dans des conditions de vent extrêmes, lorsque les vagues déferlent, le navire à sec de toile (sans voiles) dérive vent arrière. À cette allure et par ce temps, il est menacé de chavirage:

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• Poussé par le vent et malgré l'absence de voile, il est en survitesse ; lorsqu'une déferlante arrive par l'arrière, le bateau accélère encore ; sa poupe se soulève au passage dans la vague, et dans ces conditions l'étrave peut se « planter » dans la mer et provoquer le retournement du bateau (il sancit).

• Les embardées provoquées par la mer et les accélérations peuvent mettre le bateau en travers de la lame et provoquer là encore un chavirage.

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Dans ces conditions l'ancre flottante, qui a été filée dans l'eau au bout d'un cordage et qui est amarrée à la poupe ou à la proue, freine le bateau, et plus particulièrement les accélérations provoquées par les déferlantes, car elle est immergée. La traction qu'elle exerce sur le bateau contribue également à contrebalancer les embardées et à le maintenir dans l'axe du vent et donc généralement des vagues.