thumb|Exemple d'effort du vent sur différents types de voile de voiliers classiques lors d'une régate à Cannes en 2006. L'effort du vent sur la voile, appelé poussée vélique, est l' ou qui, pour un vent donné, dépendent de la voile, de ses caractéristiques, de sa position et plus généralement de . .

Introduction Toute voile d'un navire est destinée à lui transmettre l'énergie du vent. La voile capte et redirige l'air qui arrive sur elle, ce qui, par conservation de la quantité de mouvement, crée une force qui s'exerce sur cette voile... Les éléments à calculer sont l'effort du vent sur la voile, appelée poussée vélique, et le lieu d'application de cet effort ou point vélique, point mouvant et, pour cette raison, défini par la détermination de ses coefficients de moments, plutôt que par un « centre de poussée ».

Le calcul vélique est essentiel pour bien concevoir un bateau à voile (stabilité du navire...). La modélisation d'une voile, c'est-à-dire le calcul de l'écoulement du vent sur cette voile, est fondée sur le calcul intégralLe calcul est fort compliqué et plus complexe qu'une aile d'avion une voile est souple, pas une aile d'avion. Le calcul relève du domaine de l'aérodynamique et de la mécanique des fluides. La conception et l'étude d'une voile de bateau repose sur les modèles d'aéroélasticité, combinaison de la mécanique des fluides numérique et des calculs de structure. Les résultats sont néanmoins corrigés par la réalitéles turbulences et le décollement de la couche limite ne sont pas encore totalement maîtrisés..

Les voileries ont désormais plusieurs solutions pour concevoir leurs voiles : les tests grandeur nature, les essais en soufflerie, la simulation numérique ou encore un mixte des solutions précédentes. Néanmoins, un certain nombre de paramètres sont écartés à la conceptionDans la réalité, la voile n'est pas indéformable, le vent n'est pas constant, le bateau n'est pas à vitesse uniforme (il tangue, butte contre les vagues...), le mât n'est pas infiniment rigide, l'air est visqueux (pertes par frottement). L'écoulement de l'air varie (quasiment attaché au près, ou décroché en vent arrière), le mât perturbe l'écoulement (sauf quand il est profilé et pivotant). Dans un souci de clarté, ces phénomènes ne sont pas obligatoirement pris en compte dans cet article. Le calcul numérique inclut plus ou moins ces paramètres mais le calcul numérique reste limité.voir les logiciels : javafoil ,mecaflux, et aussi Xfoil et AVL de Mark Drela (aérodynamique numérique) ou des articles comme influence des superstructures sur les performances d'un spinaker.

L'article se concentrera sur l'interaction des trois éléments suivants : une mer plus ou moins plate ; du vent plus ou moins constant ; et un jeu de voileCe domaine encyclopédique est déjà en soit bien ambitieux et vaste !

Point vélique Le lieu d'application de l'effort du vent sur une voile est nommé point vélique de la voile. Le point vélique en première approximation est le centre géométrique (ou centre de gravité) de la voile. Dans la réalité, la voile prend une forme de ballon ou d'aile. Si la forme de la voile est stable, alors le point vélique sera stable. Sur une voile de hunier et par vent arrière, le point d'application remonte un peu vers la vergue (le haut), suivant la tension des écoutes et du tangon. Sur une voile de génois et à l'allure du près, le point d'application remonte vers le guindant (avant du bateau) de 10 à 15 %http://www.adeps.be/pdf/Theorie2005.pdf.

Corde de la voile La corde est une droite fictive reliant le guindant à la chute (du bord d'attaque au bord de fuite). La notion de corde permet d'approcher plus précisément la position du point vélique. L'effort ou poussée vélique est sensiblement perpendiculaire à la corde et est placé au maximum du creux de la voile.

Poussée vélique La mécanique des fluides considère l'air comme un milieu continu. Le mouvement désordonné des particules est moyenné et seul le comportement mésoscopique est considéré. On peut ainsi considérer l'air au repos comme n'ayant pas de mouvement macroscopique perceptible malgré le mouvement perpétuel de ses molécules.

Le mouvement de l'air est communément appelé vent. Dans le cas d'un voilier, le vent en haut de la voile est différent de celui d'en bas. Cette différence s'explique par ce que l'on appelle la couche limite atmosphérique. Au contact de la mer, le vent est stoppé. Rapidement, il prend de la vitesse avec l'altitude selon un profil logarithmique. Si le bateau avance, l'angle du vent apparent évolue également avec la hauteur.

Rôle de la pression atmosphérique Comme une voile a deux faces, la pression atmosphérique va s'exercer des deux côtés. Finalement, les deux pressions s'équilibrent parfaitement, la voile ne bouge pas. On peut donc négliger de l'inclure dans les calculs et travailler avec une pression de référence arbitraire.

Rôle du vent

Suivant la configuration de la voile, voici ce qui arrive à un flux soumis à l'influence d'une voile : la voile est colinéaire à l'axe du vent (par exemple face au vent), elle ne présente au vent que son épaisseur (celle du tissu), l'air perd de la vitesse au contact de la voile mais n'est globalement que faiblement perturbé. La composante pression de la force globale est négligeable (uniquement sur l'épaisseur de la voile). la voile est perpendiculaire à l'axe du vent (par exemple au vent arrière), le flux d'air doit contourner la voile. Ce contournement est très désordonné et ralenti fortement le flux d'air dans les régions. Un différentiel de pression existe alors entre l'intrados et l'extrados induisant une force sur la voile. La composante visqueuse de la force globale est négligeable (uniquement sur l'épaisseur de la voile). la voile a une incidence comprise entre 0° et 90° par rapport à l'axe du vent, le flux d'air est redirigé et ralenti et a alors une composante de ces deux forces. Il existe un angle de décrochage, qui dépend de la nature du profil, où le flux perd sa cohérence et devient très turbulent sur l'extrados du profil.

Le choc de la parcelle d'air sur la voile fait reculer la voileTrès approximatif.... Le choc ne déplace que très peu la voile sur le côté. L'effort est quasiment perpendiculaire à la surface de la voile.

Intensité de l'effort Lorsque le flux d'air transite autour d'un profil, il crée une surpression sur l'intrados et une dépression sur l'extrados. Cette différence de pression intégrée sur la surface de la voile donne une force.

La forcevoir Portance (aérodynamique) : en newtons (N) agissant sur une voile vaut :

avec : masse volumique du fluide : surface de référence en m : vitesse en m/s = coefficient aérodynamique (nombre sans dimension)

Cette formule, issue de l'analyse dimensionnelle et identique à celle de la traînée, est valable dans tout système d'unités cohérent. Il faut noter qu'elle ne dit pas que la portance est proportionnelle au carré de la vitesse. Seuls des essais peuvent le confirmer, ou l'infirmer, dans un cas particulier. Elle définit un cadre cohérent pour exprimer les résultats de ces essais, le coefficient sans dimensions étant défini comme une fonction d'autres nombres sans dimensions.

On note parfois où est la pression dynamique :

La voile se déforme sous l'effet du vent et prend une forme nommée profil. Lorsque l'écoulement de l'air autour de ce profil est laminaireLes penons de la voile se stabilisent presque horizontalement., le facteur dépression face sous le vent devient déterminant. Cet effet est alors appelé portance. Les études et la théorie établissent que pour une voilecours de ETS de l'université du Québec voir page 8 que la dépression sur l'extrados est d'amplitude deux fois plus importante que la surpression sur l'intrados.

Décomposition de la force : introduction de la notion de portance et de traînée thumb|500px|Diagramme type d'un profil représentant l'évolution de la traînée et de la portance suivant l'incidence. La portance latérale n'est quasiment jamais représentée car le profil est assimilé à un profil d'allongement infini donc les valeurs mesurées sont faibles.

Lorsque l'on travaille avec des forces évoluant dans l'espace, il convient de définir un repère : : l'axe du vent ; : l'axe perpendiculaire au vent et l'allongement ; : l'axe de l'allongement.

La force créée par l'écoulement autour d'une voile peut alors être projetée sur ces trois axestexte très pédagogique. : .

avec, : la traînée. Cette force est néfaste à l'avancement du bateau. Les voiliers cherchent donc à la réduire au minimum.; : la portance. C'est la force propulsive du profil. ; : la portance latérale. Cette force est très faible comparée aux deux autres. Néanmoins, dans le cas notamment d'un spinnaker, cette force permet d'éviter l'enfournement est nulle pour un profil infini. De même, pour un profil d'allongement non infini la forme du profil est généralement droite (les profils notablement non droits sont rares : cf. Aile en mouette), allongé et mince, ce qui génère une portance latérale faible au vu des deux premiers axes. En plus pour une voile, les extrémités sont de l’épaisseur du tissu donc d'autant plus négligeable. Il ne reste plus qu'à modéliser les effets du vent. Dans notre cas de voile de bateau, la portance latérale est négligée. Dans la plupart des cas, elle est totalement négligeable. Le profil est alors ramené à un système bidimensionnel. Attention, cela ne veut pas dire que l'on élude la troisième dimension, les effets 3D sont bien pris en compte, mais on s'intéresse qu'aux conséquences de l’existence de cette troisième dimension sur les deux autres dimensions. Cela permet de simplifier les diagrammes ou les calculs. Par exemple, la Traînée induite est un phénomène purement 3D, mais sa modélisation est faite en 2D. Le cas d'un spi est un parfait contre exemple de cette simplification à un système bidimensionnel, le spi a un allongement faible et une forte cambrure, un profil très variable suivant la hauteur, il est alors difficile de déterminer nettement l'axe de portance. Mais plus important l'allongement n'est pas vertical mais incliné. Le spi génère des efforts suivant deux axes mais qui se balade suivant les trois axes. Il faut donc le traiter suivant les trois axes, et la force verticale a une grande importance pour l'enfournement..

De même, le coefficient aérodynamique peut être séparé selon ces trois mêmes composantes, même si le plus souvent seuls le coefficient de traînée et le coefficient de portance sont étudiés. Ils sont notés dans la littérature anglo-saxonne respectivement et

Effet de la portance L'étude de l'effet de la portance permet de comparer les cas avec et sans portance.. L'exemple type est une voile à corne. La voile est approximativement rectangulaire et est en position verticale. La voile a une surface de , avec de bordure par de guindant. Le vent apparent est de (environ ). Le bateau est supposé à vitesse uniforme, pas de vague. Il ne gîte pas, ne tangue pas. La masse volumique de l'air est fixée à : =

Voile en écoulement décroché Le voilier est par vent arrière. La forme de la voile est approximée par un plan perpendiculaire au vent apparent.

L'effet dépression sur la voile est du second ordre, donc négligeable, il reste : sur la face au vent, les efforts sont la pression atmosphérique et la pression due au vent sur la face sous le vent, il ne reste que la pression atmosphérique

Les efforts de pression atmosphérique s'annulent. Il ne reste que la pression produite par le vent.

Grosso modo, les chocs des molécules sur la voile transmettent quasiment toute leur énergie due au vent sur 90 % de la surface de la voile. Cela revient à dire que le Cz ou coefficient de portance aérodynamique est égal à 0,9.