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La "Coupe de l'America"

La coupe de l'America est une régate à la voile très ancienne - crée en 1870 - mais encore d'actualité.

Elle oppose des nations de la voile dans plusieurs courses créant ainsi un classement par points.


Cette course se déroule en équipage. Elle est chaque année le théâtre de nouvellles innovations et ceci malgré les contraintes imposées.














Cette année les Etats Unis remportèrent cette compétition face à la Nouvelle Zélande après une lutte acharnée.


Cette course est composée de plusieurs régates de vitesse, n'excedant pas 35 minutes. Etant donné l'importance de la vitesse dans ces courses, les bateaux utilisés sont des multicoques en fibre de carbone disposant de foils.

La "Transat Jacques Vabre"

La transat Jacques Vabre est une course en double qui relie Le Havre aux côtes sud américaines (4 ports différents ont constitué le port d'arrivée de cette course depuis la création de l'épreuve).

Elle a été crée en 1993. Le but de cette course est de recréer la route des marchands de café - d'où son surnom "La route du café".










La course comporte plusieurs catégories : les multicoques et les monocoques.
Les multicoques ont une avance de six jours sur les monocoques, ce qui montre leur vitesse bien plus élevée .

Le "Vendée Globe"

Le Vendée Globe est une grande course de voile qui consiste en un tour du monde en solitaire sans escale, ni assistance.
Elle est effectuée en voilier monocoque et se déroule tous les 4 ans.

C'est la seule course à proposer un tour du monde en solitaire sans assistance ni escale. Elle représente donc une grande épreuve d'endurance et est même parfois dénommée "l'Everest des mers".













Cette course est une course très dure et très longue, le record actuel fut établi en 2012 par François GABART : il termina l'épreuve en 78 jours, 2 heures, 16 minutes et 40 secondes.

Le nombre d'abandons sur le Vendée Globe est très important, notamment à cause des problèmes techniques et médicaux. Le meilleur taux d'engagés arrivés est de 65%, le plus faible est lui de 37%.
Certains skippers trouvèrent même la mort sur cette course très rude (3 morts en 7 éditions).

Les améliorations techniques ont permis de battre le record à presque chaque édition (seule la deuxième n'a pas battu de record).



Comme on le remarque...

Introduction

A travers ce TPE, nous avons voulu montrer comment les avancées technologiques s'appliquent au monde de la voile.
Pour cela, nous avons décidé de présenter quelques grandes courses mythiques de voiliers et les technologies qu'elles mettent en pratique.

Pour Conclure...

Grâce à ce TPE, nous avons compris les principes scientifiques du fonctionnement des voiliers.


Nous avons découvert que faire avancer un voilier est une tâche complexe qui résulte de nombreuses lois physiques comme la pression, la flottabilité ou la portance.

L'étude de ces phénomènes et de ces lois les régissant nous a permis de découvrir ou d’approfondir nos connaissances sur des lois essentielles de la physique comme la poussée d'Archimède, la traînée ou encore le théorème de Bernoulli.



Nous avons aussi découvert la grande importance des vecteurs en physique.
Ce TPE nous a permis de mieux retranscrire les phénomènes et lois apprises à des choses concrètes, telles une course de voilier.


L'étude des matériaux nous a sensibilisé à la complexité
des matériaux composites et leur moyen de fabrication.


La partie histoire des voiliers nous a conforté dans notre vision d'un monde en progrès et ceci grâce aux recherches permanentes des hommes.



Ainsi, grâce à ce TPE nous avons mieux appréhendé le travail...

Les Voiliers du XVIèmes Siècle - [Galions]






Le Galion




A partir du 16ème siècle, les galions apparaissent sur les mers.

Ces géants des mers possèdent de trois à cinq mâts, permettant une meilleurs remontée des vents.
Ces nombreux mâts constituent une des meilleures évolutions de la caravelle du XVIème siècle.

La coque est allongée et plus fine, avec en moyenne un longueur de 45 m et une largeur de 11 m, cela augmente donc la vitesse à laquelle navigue l'embarcation.






La Caraque






Comment "naviguer" dans notre TPE ?

Pour suivre l'approche thématique de notre TPE, nous vous conseillons très fortement de "naviguer" dans celui-ci à l'aide des boutons Page suivante et Page précédente au bas de chacune des pages de ce site.


Vous pourrez cependant aussi vous déplacer librement dans notre TPE à l'aide de la barre des menus située en haut de chacune des pages de notre site.
Dans cette barre, toutes nos pages sont organisées en quatre grandes parties qui constituent notre TPE :

Histoire de la Voile
Principes de Fonctionnement d'un Voilier
Utiliser des Matériaux Adaptés
Des Outils pour Améliorer les Performances d'un Voilier





Il ne vous reste donc plus qu'à vous lancer à la découverte de nos quatre parties pour entrer dans notre TPE, en espérant bien sûr que celui-ci vous permettra de mieux comprendre le monde de la voile d'hier et d'aujourd'hui.



Bon vent !

Bienvenue dans notre TPE...

Dans le cadre des travaux pratiques encadrés de 1°S, nous avons décidé de traiter la thématique des voiliers.

Nous allons commencer par nous interroger sur leurs principes de fonctionnement du voilier d'un point de vue physique ainsi que du point de vue du marin. Ensuite nous poursuivrons cette réflexion en cherchant comment améliorer les performances de ces bateaux. Ainsi nous allons étudier les matériaux et les techniques qui permettent aux sportifs de battre des records.


Ces réflexions nous amèneront à étudier les lois et principes physiques qui régissent la flottabilité et l'hydrodynamisme. Nous aborderons aussi les formules et principes de façon mathématiques afin de comprendre l'importance de chaque variable (surface du voilier, vitesse, etc...) qui résultent de la conception du voilier.





BARTHES Noé
FRANCK Ossyan
PAILLIER Thomas

Le Choix des Matériaux de la Coque

Pour qu'un bateau soit performant il faut qu'il soit léger, résistant et rigide.

Ainsi un voilier de compétition nécessite des matériaux qui correspondent à ces trois critères.


Mais le matériau parfait n'existe pas car un matériau rigide est généralement cassant et un matériau solide est souvent lourd.
Nous allons ainsi comparer différents matériaux actuels et anciens et voir lesquels offrent les meilleurs comprommis et performances pour un voilier de compétition.

Conclusion

D'après ce tableau nous pouvons déduire qu'il n'y a pas réellement de matériau supérieur aux autres : tous ont leurs avantages et leurs inconvénients.

Il appartient donc au propriétaire de chaque voilier d'installer la voile qui repondrera le mieux à l'utilisation qu'il souhaite faire du voilier ; tout comme pour les coques, il choisira une voile plus solide si son voilier est destiné à un grand voyage ou des voiles plus legères si son voilier participera à de courtes courses de vitesse...

Qu'Est-ce Que les Allures Marines

Le voilier peut rencontrer le vent sous différents angles : le vent peut-être de face, de dos, de côté, etc...

Ainsi, l'angle entre le sens du vent et l'orientation du voilier est défini par les "allures marines".


Les marins ont donné un nom pour chacune de ses "allures" :



Vent Réel, Vent Vitesse et Vent Apparent


On pourrait penser à tort que le seul vent auquel est soumis un voilier est le vent ressenti naturellement dans l'environnement du voilier, appelé le "vent réel", mais cette conception est fausse.

Le voilier n'est pas uniquement soumis au vent réel, il est aussi soumis à un autre vent, appelé le "vent vitesse", qui résulte entièrement du déplacement et de la vitesse du voilier.




Lorsqu'un corps se déplace dans un fluide comme l'air, il est soumis au frottement de celui-ci : par exemple, lorsqu'un cycliste avance, il ressent sur son visage les frottements de l'air.

Ces frottements de l'air, qui constituent le vent vitesse, s'apparente à un vent possédant la même direction que le cycliste mais ayant un sens opposé.




Ce vent vitesse se retrouve pour tout corps se déplaçant dans un fluide, y compris notre voilier.
Ainsi, celui-ci sera soumis lors de ses déplacements au vent réel, mais aussi au vent vitesse qui aura la même direction que notre voilier mais pas le même sens.
Vent réel et vent vitesse

Vent Réel, Vent Vitesse et Vent Apparent !

Comme dit précédemment, le vent qui gonfle les voiles du voilier et le fait avancer n'est pas le vent présent dans l'environnement du voiler - le vent réel - mais le vent apparent qui est la combinaison du vent réel et du vent produit par la friction de l'air lors du déplacement du voilier - le vent vitesse.

Ainsi, en cas de vent arrière, vent réel et vent vitesse s'opposent : le vent vitesse de notre voilier va venir atténuer le vent réel, et donc, le vent apparent ainsi produit sera beaucoup plus faible...










Pour atteindre la vitesse maximale du voilier, l'objectif des skippeurs sera de trouver le meilleur angle avec la direction du vent - la meilleure allure marine - qui permet, en additionnant vent vitesse et vent réel, de créer un vent apparent le plus puissant possible pour que celui-ci donne un maximum de puissance au voilier via ses voiles.

Pour que ce vent apparent soit le plus fort possible, il faut que le vent réel et le vent vitesse aient une direction la plus proche possible pour...

Les Matériaux Composites

Les matériaux composites sont généralement utilisés pour les coques de bateaux.
Un matériau composite est un assemblage d'une fibre et d'une résine, créant un couple de plusieurs matériaux. Cette technique permet d'associer les matériaux entre eux et d'améliorer leurs performances.


Pour créer une coque en matériaux composites, on doit empiler dans un moule de la fibre et de la résine. Ainsi le voilier est monolique, il est en un seul morceau : il n'y a donc pas de soudures, ni de visserie. Cela est un avantage pour la rigidité du bateau qui ne comporte aucun point faible.



Les matériaux composites sont encore à l'étude et peuvent apporter de grandes améliorations aussi bien d'un point de vue de la résistance ou du poids.


Certains de ces matériaux comme la fibre de carbone sont déjà utilisés pour les voiliers de compétition [Vendée Globe, etc...] car elle présente un poids faible et une résistance élevée.

Le monde des voiliers de compétition n'est d'ailleurs pas le seul domaine où ses nombreuses...

Les Voiliers Chinois - [Jonques]

Une jonque est un bateau traditionnel d'Asie, à coque compartimentée, possédant une très grosse capacité de transport...

Ces bateaux comportaient au minimum deux mats avec une coque doublée leur permettant d'avoir une cloison étanche. Ces navires plus résistant pouvaient faire face aux vents violents de l’Extrême-Orient. Les voiles étaient tendues par des tiges en bambou fixées horizontalement au mat.

Ainsi, ces voiles sont lattés de lattes relativement lourdes sur toute la longueur de la toile, la divisant donc en plusieurs panneaux. Ces lattes, qui sont tenues au mât, raidissent la voile, maintiennent sa forme et encaissent les efforts du vent sur la voile.
Avec tous ces renforts, la toile n'est jamais lourdement sollicitée, ce qui en fait une voile très fiable et durable.



la jonque



...

Les Voiliers Européens - [Caraques, Caravelles]

En Europe, on fabrique à la fin du Moyen-âge, la nef - ou caraque - , un grand navire caractérisé par sa coque arrondie et ses deux hauts châteaux à l’avant et à l’arrière du navire.

La voile était coupée en carré comme les drakkars vikings et reposait sur un unique mât, la coque était renforcée par cinq à sept poutres traversant le navire de part en part.

Ce fut le premier navire européen à s’aventurer en haute mer et fut, avec la caravelle, le navire des grands explorateurs des pays européens.


Nef européenne

Une caravelle est un navire à voiles à hauts bords inventé par les Portugais au début du XVème siècle pour les voyages d'exploration à long cours.
Le principal changement est la présence deux mats qui lui font gagner beaucoup de vitesse en augmentant la surface de ses voiles.
Évolution marine de la caraque du Moyen Âge, la caravelle servait aux marchandages principalement le long des côtes méditerranéennes, elle s'en distingue par une taille plus élevée, entre 20 et 30 mètres.
Contrairement...

Conclusion

Ainsi, à partir de l'étude de ces trois graphiques, nous pouvons dire que les concepteurs de voiliers rechercheront à produire des voiliers ayant une carène la plus faible possible dans le but de créer un bateau avec une faible traînée.
Cependant la carène doit être suffisamment élevée pour que la poussée d'Archimède - qui dépend de la surface immergée du voilier - s'appliquant au voilier, soit supérieure à la force de gravité qui l'attire sous la surface de l'eau.

Ils rechercheront aussi à produire des voiliers avec une coque possédant le plus faible coefficient de traînée possible , et donc, moduleront la forme de la coque jusqu'à trouver une forme avec un faible coefficient de traînée.


Caractéristiques d'un voilier à respecter pour qu'il soit performant :

• carène faible afin d'avoir la plus faible traînée que possible
• carène suffisamment élevée pour que la poussée d'Archimède soit plus élevée que le force de gravité (afin de flotter)
• forme de la coque profilée pour que le coefficient...

La Flottabilité

La flottabilité dépend de plusieurs facteurs que nous allons voir dans les pages de cette rubrique.

Parmi eux, nous retrouvons la poussée d'Archimède et la masse volumique du corps immergé (ici, la coque de notre voilier).
...

Masse Volumique et Flottabilité

La masse volumique joue un rôle important dans la flottabilité.

En prenant un objet à fond plat, deux cas se présentent à nous :

• si sa masse volumique est supérieure à celle du liquide dans lequel il est immergé, alors il coule.
• si sa masse volumique est inférieure à celle du liquide dans lequel il est immergé, alors il flotte.



Pour qu'un bateau avec une massse volumique supérieure à celle de l'eau flotte, il faut que son fond soit concave. Cette forme permet de déplacer un grand volume d'eau et donc par conséquent de créer une poussée d'Archimède importante. Ainsi des bateaux en fer peuvent flotter (alors que la massse volumique du fer est supérieure à la massse volumique de l'eau).


...

Analyse de la Formule de la Traînée [MATHS]

En analysant la formule de la traînée pour le cas de nos voiliers, nous pouvons remarquer que celle-ci contient une
constante :

• La masse volumique "ρ" du fluide déplacé. Il s'agit dans notre cas de l'eau, qui a une masse volumique de 1000 Kg.m-3


Ainsi, nous avons dans cette formule trois variables:

• La vitesse"V" du voilier
• Le tirant d'eau "S" de notre voilier, qui correspond à la surface immergée de la coque
• Le coefficent de traînée "CX" qui est un nombre sans unité qui dépend de la forme de l'objet



Nous allons essayer de "jouer" avec ses variables pour savoir comment évolue la force de traînée de notre voilier selon celles-ci.



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Le premier graphique représente l'évolution de la force de traînée, c'est-à-dire la force des frottements de l'eau, qui s'applique à notre voilier en fonction de sa vitesse.

Il nous permet de dire que plus la vitesse du voilier est élevée, plus la force de traînée qui la freine est forte.
Donc plus la vitesse

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