Quelques notions de physique

Car comprendre les équilibres des forces (et des couples) ne peut pas faire de mal.
Pour la mécanique du vol on pourra consulter ceci qui présente l'ensemble des notions intéressant l'équilibre d'un planeur.
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Les forces

Pour bien comprendre comment on arrive à voler droit, une représentation complète des forces et des couples qui s'appliquent à l'ensemble est nécessaire. 

Couple quésako ?

Les lois de la physique disent qu'un système est à l'équilibre quand toutes les forces et les couples se compensent.
Une force on sait ce que c'est, mais un couple ? Le meilleur exemple est l'avion du windfoil. L'aile avant porte, le stab "déporte" (sauf parfois à basse vitesse...). Cela donne une force de rotation (un couple) qui fait cabrer. Un couple s'exprime en Newton x métres (Nm). C'est une force multipliée par une longueur.
Sur l'image ci contre, les forces des ailes ne sont pas détaillée. Il y a une grosse flèche verte pour la portance et une flèche courbe en rouge pour le couple à cabrer.
Il y a aussi une grosse flèche rouge courbe au dos de la voile. Pas de paire de forces ici mais le fait que l'on comprend assez intuitivement qu'un profil courbe va avoir tendance à tourner suivant sa courbure.
Bref, un couple cela peut résulter d'une paire de forces et des distances qui les séparent mais aussi pour ce qui nous concerne de la forme des profils, dans l'air ou dans l'eau ...

Forces variables, forces fixes

La portance (Lift) d'une aile ( L = ½ ρ S V ² Cl ) va dépendre de son coefficient de portance (Cl) lié à l'angle d'incidence mais aussi de la vitesse au carré. Les autres termes sont fixes: S = Surface, ρ la densité du milieu (air ou eau). Il en est de même pour la trainée et aussi des couples aéro ou hydrodynamiques qui tous varient en V².
Par contre le poids va rester constant, à la fois en force et en direction.
Sur la figure ci contre, on représente les forces s'appliquant à l'ensemble complet planche, voile et pilote. Les forces fixes sont en vert, les forces et couples variables (avec V²)sont en rouge. 
La force antidérive est elle constante ? Oui et non ! C'est la portance d'un profil, mais si le gars garde la même contre-gite, elle peut se déduire du poids. (voir plus bas...)
Une flèche bleu représente la composante propulsive de la voile. 

Equilibre longitudinal

Le but n'étant pas de manier des notions théoriques, passons au concret.
On voit des flèches vertes pour le poids des différents éléments. Des flèches rouges pour les différentes trainées.
Attardons nous sur la portance. Elle est générée par les profils et pourtant, elle est verte (constante), car si le système est équilibré elle compense l'ensemble des forces de gravité. Si elle est trop faible, on descend, si elle est trop forte, on monte.
On voit cependant sur le schéma ci contre qu'il n'y  pas alignement. Entre la portance et la gravité se crée un couple piqueur qui est compensé par le couple à cabrer (rouge) généré par le foil.
Si le couple cabreur du foil est trop fort, alors le nez monte, si non, il descend.
Le rôle du pilote va donc être de gérer en permanence ces équilibres avec le fait fondamental que le couple à cabrer du foil varie comme V² ! Plus on va vite plus le nez veut monter, ce qui augmente la portance ! Comment faire ? 
Un autre couple piqueur est aussi présent lié lui à l'ensemble des trainées (rouges) qui n'est pas aligné avec la propulsion de la voile.
Ce couple est lui aussi proportionnel à V².
Donc, si on aligne les forces de gravité et la portance alors, le rôle du couple du foil va se limiter à compenser le couple propulsion/trainé. On peut avoir un système qui reste équilibré malgré les variations de vitesse.
En mode race avec 10m², un pilote bien couché sous la voile, le couple créé par la courbure de la voile aura aussi son importance et nécessitera donc plus de calage.

réglage du stab

Si à l'accélération on ne parvient pas à gérer la "puissance" du foil, il faut diminuer le couple à cabrer et se reculer. Cela se fait en diminuant l'incidence du stab (éventuellement beaucoup) ou en mettant un stab plus "petit" (générant une force plus faible) ...
Comme c'est la différence d'incidence entre les 2 ailes qui compte on parle aussi du V longitudinal. C'est un paramétre à régler très finement (0.2° ou moins).


2 courbes

En bleu, stab à 3° en jaune stab à 1.5°. 
Position du centre de poussé du foil par rapport au Bord d'attaque de l'aile en fonction de la vitesse (Petite aile ici). 
8 cm de différence à basse vitesse.
13 cm de différence à 30 knts.
Donc, si vous êtes bien calés avec 1.5° pour compenser l'ensemble des force en V², avec 3° les risques sont grands de se faire surprendre et sortir de l'eau.

Equilibre latéral

Passons en vue de face et intéressons nous à l'équilibre de la planche.
La force suivant l'axe des jambes se déduit simplement de l'inclinaison du pilote et de son poids. p = P cos α
Cette force qui s'applique sur la planche se décompose en une force perpendiculaire au pont ( px = p cos β ) et une force dans le plan du pont.
Si on regarde les couples qui s'appliquent au point C:
px L est le couple créé par le rideur et la largeur de la planche.
AD D est le couple créé par la force antidérive et sa distance au point C.
les efforts exercés par le pied de mat donne un couple nul car distance nulle au point C. Idem pour la portance de l'avion qui s'applique dans l'axe de C.
L'équilibre des couples donne donc px L = AD D
la force antidérive AD = px L/D

Du coup: si L = 0 (ou très petit..) pieds au centre, alors pas de force latéral sur le mat. seul le crantage sur l'aile permet de remonter au vent (cas des kitefoils).
Inversement, plus la planche est large, plus AD sera grand. Bon pour le cap.
On remarquera aussi que AD est orientée légèrement vers le bas avec la contre gite (angle cg) représentée. La composante horizontale est :
 AD cos (cg) mais en prenant de l'angle on va récupérer de la force antidérive sur l'avion qui force nettement plus. 

β = α - cg

Si  β =0 alors on maximise le couple créé au niveau des pieds. Appui perpendiculaire à la planche.

Inversement, si on se couche beaucoup (pour tenir une grande voile) mais sans contre gîte, alors  β est grand ce qui diminue le couple de redressement que l'on peut appliquer. Les risque de basculer à la gite augmente.

Egalement, une aile avant mal serrée va incliner la grosse flèche verte de la portance vers les straps en face des pieds plutôt que sous les pieds... Chute à la gite assurée. Si sans raison particulière vous chutez à la gite => resserrer les vis !

Equilibre en lacet

 

Last but not least, la vue de dessus. 

En mettant de la transparence sur la planche, on peut voir ce qui se passe dans l’air et dans l’eau. 

Les couples en présence sont : 

  • La grosse flèche rouge au dos de la voile générée par la forme du profil (il faut une voile qui vrille bien). => Couple au lof. 
  • Le décalage entre la force latérale sur la voile et la force antidérive sur le foil. =>Couple à l’abattée. 
  • Le décalage entre la force propulsive (fléche bleu) et la trainée (ensemble des petites flèches rouge). =>Couple à l’abattée.


Mais en plus, comme le calage du stab génère un couple cabreur (fléche courbe rouge au niveau de l'avion), si on incline la planche à la contre-gîte, alors on va lofer. Comment tenir l'équilibre de tout cela  et contrer la tendance naturelle au lof ?

En redressant la voile, on décale la force de la voile vers l’avant par rapport à la force anti-dérive. (très utile au gibe !) 

Mais, en se penchant sous la voile on dispose d’un second couple car on décale la force de la voile par rapport à la trainée. 

En navigation:

En situation sous toilé, comme, on ne peut se pencher sous la voile, on peut aussi en prendre plein le dos car il faut garder le poids vers l’arrière mais la voile sur l’avant. Dans ce cas la meilleure solution est d’inverser le problème en prenant de la gite et pas de la contre-gite ! Ce n’est pas le mieux pour le cap mais là, ce n’est pas de la race. 

En situation grande voile alors comme pour tenir la toile il faut être couché dessous alors inversement, la contre-gite est obligatoire pour garder le cap. 
Bien entendu, le calage du stab a son importance dans tout cela et diminuer le calage va aussi diminuer la tendance au lof à la contre-gite.

réglages

Bon, c'est bien joli tout ça mais quid de la position du pied de mat, de la hauteur du wishbone ?
D'un point de vue externe, on peut considérer que ce n'est pas la hauteur du point de fixation des haubans d'un bateau qui change sa façon de naviguer ... Et c'est vrai.
Cependant, avec un pied de mat plus avancé, si on s'appuie sur le mat alors, on avance sont poids plus efficacement. De même, si on monte le wishbone on peut mieux se pendre et appuyer sur le mat. 
Mais bon on sait tous que tout bouge ... Et notamment le vent et donc, je n'aime pas avancer trop le pied de mat car alors dans les rafales, cela fait descendre le nez. Et quand le vent refuse, on décolle...Il y a donc un juste équilibre à trouver pour avoir un foil cabreur qui encaissera bien le poids que l'on met sur le PdM en se pendant au harnais mais qui ne nécessitera pas un effort d'appuie sur l'avant contraignant.

Chute tendue ou pas ?

En  slalom, appuyer sur le nez, ce n'est pas bien... En foil, c'est open bar car on peut générer du couple à cabrer pour compenser la puissance en haut de voile. En plus ces couples sont en V² tous les deux et peuvent donc se compenser harmonieusement.  Bref, à priori pas trop de PB à avoir de la puissance en partie haute et on peut augmenter l'allongement pour gagner en perf.
Oui mais... Le vrillage de la voile permet aussi de créer un profil plus stable. Il faut donc quand même une chute qui ouvre. Et là aussi, dans des vents irréguliers, on sera content d'avoir la puissance en bas plutôt qu'en haut...
En tout cas, créer des voiles qui appuient forts sur l'avant pour compenser un foil qui cabre trop ne me semble pas l'approche la plus logique car alors en conditions variables, cela devient incontrôlable.