guide de manoeuvre

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MARINE NATIONALE GUIDE DE MANŒUVRE A L'USAGE DES BATIMENTS ET DES ECOLES PRÉAMBULE 4 TITRE 1 LA MANŒUVRE DU BÂTIMENT : PRINCIPES GÉNÉRAUX 5 TITRE 2 LA MANŒUVRE DU BÂTIMENT : MANŒUVRE DE PORT 123 TITRE 3 MANŒUVRES À CARACTÈRES PARTICULIERS 293 GLOSSAIRE 419

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MARINE NATIONALE

GUIDE DE MANUVRE A L'USAGE DES BATIMENTS ET DES ECOLES

PRAMBULE

4

TITRE 1

LA MANUVRE DU BTIMENT : PRINCIPES GNRAUX

5

TITRE 2

LA MANUVRE DU BTIMENT : MANUVRE DE PORT

123

TITRE 3

MANUVRES CARACTRES PARTICULIERS

293

GLOSSAIRE

419

2

TITRE 1CHAPITRE 11.1 1.2

LA MANUVRE DU BTIMENT : PRINCIPES GNRAUX

578 29

NOTIONS FONDAMENTALES notions d'architecture navale les forces qui agissent sur le btiment GIRATION ET QUILIBRE DE MARCHE le gouvernail la giration LA PROPULSION gnralits l'hlice les hlices latrales les hlices pales orientables les hlices en tuyres "kort" la propulsion cyclodale "Voith-Schneider" l'hydrojet le propulseur transversal le propulseur omnidirectionnel type "aquamaster" LES OUVRAGES PORTUAIRES amnagements communs aux diffrents types d'ouvrages classification des ouvrages d'accostage suivant leur mode de fondation et leur conception formes de radoub - cales sches ouvrages pour les constructions et rparations navales L'AMARRAGE DU BTIMENT

CHAPITRE 22.1 2.2

5556 67

CHAPITRE 33.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

7980 80 83 85 87 88 93 94 95

CHAPITRE 44.1 4.2 4.3 4.4

9798 102 105 108

CHAPITRE 55.1 5.2

113114 115

l'amarrage des btiments les aussires

TITRE 2CHAPITRE 11.1 1.2 1.3

LA MANUVRE DU BTIMENT : MANUVRE DE PORT

123125126 128 131

CARACTRISTIQUES DE MANUVRE DES BTIMENTS manuvriers et btiments formes et caractristiques influentes gnralits sur les manuvres des btiments 1 ou 2 hlices CARACTRISTIQUES GNRALES DES MANUVRES DE PORT difficults des manoeuvres de port prparation d'une manoeuvre de port les diffrents types de ports

CHAPITRE 22.1 2.2 2.3

149150 150 153

CHAPITRE 33.1 3.2 3.3 3.4 3.5

LES MANUVRES DE PORT SANS UTILISATION DE REMORQUEUR l'accostage l'appareillage le mouillage la navigation en cheneaux et rivires les manuvres en rivire LES MANUVRES DE PORT AVEC UTILISATION DES REMORQUEURS l'emploi des remorqueurs - gnralits les remorqueurs de port le remorquage de port l'utilisation des remorqueurs

165166 191 207 219 228

CHAPITRE 44.1 4.2 4.3 4.4

239240 241 268 285

3

TITRE 3CHAPITRE 11.1 1.2 1.3 1.4 1.5

MANUVRES CARACTRES PARTICULIERS

293295296 298 302 304 305

LA PRISE DE COFFRE prise de coffre - prsentation dispositions matrielles droulement de la squence affourchage embossage REMORQUAGE ET RAVITAILLEMENT LA MER (GNRALITS) principes gnraux caractristiques du remorqueur la remorque le matriel de remorquage le remorquage par btiments spcialiss le remorquage des btiments de combat le ravitaillement la mer LA MANUVRE EN FORMATION la tenue de poste la chasse de poste LES MANOEUVRES DE MAUVAIS TEMPS navire au mouillage par mauvais temps btiment la mer par mauvais temps mesures de sauvegarde des petits btiments conduite tenir dans un cyclone conduite tenir par mauvaise visibilit la navigation dans les glaces LES MANOEUVRES POUR VITER LES COLLISIONS MANOEUVRES D'URGENCE

CHAPITRE 22.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

309310 311 312 314 324 331 337

CHAPITRE 33.1 3.2

349350 353

CHAPITRE 44.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

361362 364 367 370 372 373

CHAPITRE 55.1 5.2 5.3 5.4 5.5

375376 379 382 383 383

dfinitions et caractristiques de manoeuvre manuvre du btiment privilgi manuvre du navire non privilgi manuvres des navires en routes opposes conclusionHOMME LA MER homme la mer le matriel de sauvetage aperu sur la "survie" en mer le systme mondial de dtresse et de scurit en mer CHOUEMENT - DSCHOUEMENT chouement - dschouement renflouement des paves PASSAGE AU BASSIN OU SUR DOCK FLOTTANT dispositions prparatoires avant l'entre au bassin l'entre au bassin stationnement au bassin avant la sortie de bassin manuvre de sortie de bassin

CHAPITRE 66.1 6.2 6.3 6.4

385386 393 394 395

CHAPITRE 77.1 7.2

399400 403

CHAPITRE 88.1 8.2 8.3 8.4 8.5

407408 410 415 416 416

4

PREAMBULE

Le "Trait de manuvre", rdig en 1935 par lEcole navale et repris en 1971 par le contre-amiral de Kerviler, a t pendant des annes le document de rfrence des pilotes de port, des officiers de pont et des commandants des btiments de la Flotte. Sil reste aujourdhui encore un ouvrage de rfrence, il a bien sr vieilli, les navires et les quipements dcrits ayant beaucoup volu. Le "Guide de manuvre lusage des btiments et des coles" est destin le remplacer dans les units de la Marine nationale. Cet ouvrage a t ralis par les officiers et officiers mariniers de la direction de lenseignement maritime de lEcole navale et du groupe des coles du Poulmic, avec le concours de plusieurs officiers de rserve, rappels cette occasion pour effectuer des travaux de recherche et de mise en forme. Il est destin principalement aux btiments mais pourra galement servir dans les coles, en particulier pour la rdaction des dossiers pdagogiques. Fruit de lexprience des marins qui lont rdig, ce document na pas la prtention dtre exhaustif. Rdig et diffus sur support informatique, il est bien sr appel voluer partir des observations et propositions qui maneront des utilisateurs.

Le contre-amiral Hubert Pinon commandant lEcole navale et le groupe des coles du Poulmic Sign : PINON

Le vice-amiral descadre Jean Moulin commandant la force daction navale

Sign :

MOULIN

5

TITRE 1

LA MANUVRE DU BATIMENT : PRINCIPES GENERAUX

CHAPITRE 1

NOTIONS FONDAMENTALES

7

CHAPITRE 2

GIRATION ET QUILIBRE DE MARCHE

55

CHAPITRE 3

LA PROPULSION

79

CHAPITRE 4

LES OUVRAGES PORTUAIRES

97

CHAPITRE 5

L'AMARRAGE DU BTIMENT

113

6

7

CHAPITRE 1 NOTIONS FONDAMENTALES

1.1 1.2

NOTIONS D'ARCHITECTURE NAVALE LES FORCES QUI AGISSENT SUR LE BTIMENT

8 29

8

1.1 1.1.1

NOTIONS D'ARCHITECTURE NAVALE

UNITES DE MESURE

1.1.1.1 Le systme internationalLes principales grandeurs utilises tant des masses, des longueurs et grandeurs drives : surfaces, volumes, et pour les forces des poids ou des pousses, leurs dimensions sont exprimes comme suit : les masses en kilogrammes (kg) ou tonnes (t) les longueurs, surfaces et volumes, respectivement en : - mtres (m) ou dcimtres (dm) - mtes carrs (m2) ou dcimtres carrs (dm2) - mtres cubes (m3) ou dcimtres cubes (dm3) NB : pour les volumes, 1 dm3 = 1 litre Le "tonneau" de jauge (1 tx) = 100 pieds cube = 2,83 m3 la masse volumique (ou spcifique) d'un corps homogne reprsente sa masse par unit de volume en kg/m3. - eau douce : = 1000 kg/m3 - eau de mer : = 1025 kg/m3 (valeur moyenne variable selon la temprature, la salinit et la pression) - air : = 1,293 kg/m3 ( pression atmosphrique normale et temprature de 15) la masse surfacique (d'une plaque homogne) reprsente sa masse par l'unit de surface en kg /m. Elle se calcule en effectuant le produit de son paisseur par sa densit. les forces en : - Newton (N), poids d'une masse de 1 kg ( 9,81 N pour la gravit terrestre moyenne ) (1daN = 10 N 1,02 kgf) les pressions (et contraintes) en : - Pascal (Pa) = 1 N/m ou Mpa (1 Mpa = 106 Pa 1 m "d'eau" 104 Pa (utilis en construction navale comme rfrence de "hauteur de charge"). Le bar vaut 105 Pa et, couramment, 1 atm, (= 1015 millibars = 760 mm de Mercure), soit approximativement 10 m de hauteur d'eau. les vitesses en : - mtres/seconde (m/s) 1 nud (nd) = 1 nautique (ou mille marin) par heure = 1852 m/3600 s = 0,514 m/s les puissances en : - Watt (W) ou en kW (kW) On utilise encore parfois le CV de 75 kg.m/s (cheval vapeur : 1 CV = 735 W)

1.1.1.2 Unites anglo-saxonnesLes units anglo-saxonnes sont aussi largement utilises dans le domaine maritime et la littrature qui s'y rapporte. En particulier : pour les longueurs, surfaces et volumes - le pouce (inch) (1" = 25,4 mm) - le pouce carr (1 in = 645,16mm) - le pied (foot) (1' = 12" = 0,3048 m) - le pied carr (ft = 0,0929 m) - le pied cube (ft 3 = 0,0283 m3) - le gallon amricain (1 US gallon = 3,7853 dm3) pour les masses - la livre (pound) - la short ton - la long ton (1lb = 0,4536 kg) (1 ton = 2000 lbs = 907 kg) (1 ton = 2240 lbs = 1016,047 kg)

pour les pressions - la livre par pouce carr (1 lb/in = 6897,107 Pa) pour les masses spcifiques - la livre par pied cube (1 lb/ft 3 = 16,01845 kg /m3)

9 pour les vitesses - le mille par heure (M.P.H) qui correspond au "statute mille" amricain ; ou mille terrestre 1 M.P.H = 1609,3 m / 3600 s = 0,447 m / s = 0,869 nd pour les puissances - le HP de 76 kg.m/s (horse power : 1 HP = 746 W)

1.1.1.3 Notion de forceUne force est dfinie comme "toute cause capable de modifier l'tat de repos ou de mouvement d'un corps". Elle est caractrise par un point d'application, une direction ou un support, un sens, et une intensit ou grandeur. Elle peut donc tre reprsente par un vecteur. D'une faon gnrale, elle s'exprime comme le produit de la masse du corps par l'acclration laquelle il est soumis :

F (Newton) = m (kilo) . (mtres /seconde)Un corps est soumis le plus souvent un systme de plusieurs forces. La rsultante est la force unique qui produirait sur ce corps la mme action que l'ensemble du systme des diffrentes forces qui lui sont appliques. Pour trouver la rsultante d'un nombre quelconque de forces, on forme le polygone des forces reprsentes chacune par son vecteur (somme vectorielle). La rsultante est nulle si le polygone est ferm (condition ncessaire et suffisante). Si les forces sont toutes parallles, la rsultante est gale la somme algbrique axiale des forces.

F1 F1 F2 F4 F2 F3 F4Rsultante d'un systme de forces

F1 F2 F4

F3

F1 R F2 F3 F4

F3

Construction d un polygone de forces

Exemples de force : a) La force de gravit Direction verticale Point d'application : centre de gravit Sens : vers la terre (centre) Intensit : P = m.g m = masse en kg g = acclration de la pesanteur 9.81 m /s

G

P

10 b) La force centrifuge Elle tend carter un objet du centre de rotation d'un corps ayant un mouvement circulaire Direction : normale au centre Point d'application : centre de gravit Sens : vers l'extrieur Intensit : F = m .R . m = masse en kg R = rayon de la trajectoire = vitesse angulaire

W

FG

c)

La force d'inertie

L'inertie est la rsistance que tout corps oppose un dplacement et qui rsulte de sa propre masse. d) La force de frottement La force de frottement est la force qui freine un corps ou l'empche d'avancer du fait de son contact avec un autre corps. Point d'application : point de contact Intensit : dpend des caractristiques des deux matriaux en contact. Moment d'une force par rapport un point, (ou un axe). C'est le produit de l'intensit de la force par le bras de levier, c'est--dire la distance du point, (ou de l'axe), la force selon une perpendiculaire (ou normale) l'axe de la force. M (Nm) = F (N). D(m) Le moment par rapport un axe de la rsultante d'un systme de forces parallles, est gal la somme des moments par rapport au mme axe de chacune des composantes du systme : Cas o F est perpendiculaire l'axe

d

0 ()

F

cas gnral d

0 ()d sin

FLa distance d sin est appele "bras de levier"

11 Moment d'un couple Un couple est un systme compos de deux forces parallles, d'gales intensits et de sens contraires. Le moment d'un couple est le produit de l'intensit des forces qui le composent par le bras de levier (distances perpendiculaires entre elles).

F1

A

d sin d

C

B

F2

Thorme fondamental de l'quilibre Un corps (considr solide, matriel et indformable) est en quilibre si l'ensemble des forces et moments auquel il est soumis est nul. L'quilibre est stable si toute sollicitation tendant carter le corps de sa position d'quilibre engendre une raction qui tend l'y ramener. Il est instable dans le cas contraire. Centre d'inertie ou de gravit (d'un corps) - Poids d'un corps C'est le point d'application de la rsultante des forces de pesanteur auxquelles sont soumises toutes les parties qui composent le corps. Cette rsultante est le poids du corps, force verticale dirige vers le bas, produit de sa masse (kg) par l'acclration de la pesanteur, soit : P (N) = m.g Pour calculer la position du centre de gravit du corps (ou d'un systme matriel quelconque, par exemple de masse totale M), on utilise la proprit nonce plus haut du moment de la rsultante d'un systme de forces parallles, en dcomposant le systme en parties lmentaires dont on sait dterminer de faon simple (ou en tous les cas avec un approximation suffisante pour chacune d'elles) la masse (m) et la position (l) du centre de gravit, soit : L = (m.l) / M avec M = m

X2 O1 O2 Z1 Z1 Z2 O2 G O1 P1 PCentre d inertie ou de gravit d un corps

X1

O

X

G1 G m1 m

G2 m2 P2

Barycentre ou centre (d'un volume, d'une surface, d'une courbe) Les mthodes utilises dans la pratique pour calculer les volumes (en particulier volume de carne), leur centre et caractristiques gomtriques consistent rduire le problme du volume au calcul d'une surface, que l'on sait traiter plus simplement. Ces techniques laborieuses sont aujourd'hui largement remplaces par

12 l'utilisation, trs tt dans l'laboration du projet, de moyens informatiques "C.A.O" (conception assiste par ordinateur) qui offrent des outils de reprsentation et de calcul parfaitement adapts au traitement de ces problmes. Contrainte, pression Au sens le plus large, une contrainte est la force exerce sur un lment de surface, rapporte l'unit de mesure de cette surface (c'est le rapport de l'intensit la force l'aire de l'lment de surface considr). Si la force est normale la surface, le rapport ainsi dfini est une pression. La notion de contrainte s'applique surtout l'tude de la rsistance des matriaux, tandis qu'une pression correspond, plus gnralement, une force exerce par un fluide, un corps pesant La rsultante des forces de pression exprime souvent une pousse. On distingue : - les pressions statiques, qui intressent les systmes au repos : par exemple la pousse d'Archimde est la rsultante des pressions hydrostatiques de l'eau sur la carne ; - les pressions dynamiques, qui concernent les systmes en mouvement : par exemple, pour un voilier, la pousse dveloppe par la voilure est la rsultante des pressions dynamiques du vent sur les voiles.

1.1.1.4 Brves notions de rsistance des matriauxLa matire rsiste! Par exemple, une barre mise en tension sous charge croissante ne manifeste d'abord qu'un imperceptible tirement, puis elle s'tire et casse. Sous une charge infrieure celle provoquant la rupture, chaque fibre de la barre ragit par une contrainte de traction. Dans une section transversale de la barre, la somme des contraintes, s'oppose la force d'tirement. Le cas de la traction est simple : la contrainte est uniforme dans chaque section, oriente suivant l'axe de la barre. Il en est de mme pour la compression. La dfinition de la "contrainte" s'applique aux situations o elle varie d'un point l'autre, dans chaque fibre de la structure. Une poutre est en flexion si elle est soumise en tout point au moment d'un couple de forces. Dans une poutre en porte--faux charge l'extrmit, le moment de flexion Mf est dit aussi moment flchissant. Les contraintes de flexion sont les plus rencontres dans les structures de navires. Une contrainte de cisaillement apparat dans les murailles de la coque surtout s'il y a des discontinuits dans le chargement. Certaines structures lgres sont examiner autant sous l'aspect des dformations que sous celui des contraintes.

1.1.2

LES DIFFERENTS TYPES DE NAVIRESSauf pour les navires militaires qui relvent du Ministre de la Dfense, la reconnaissance "administrative" du caractre "navire" ou autre btiment de mer relve, dans notre pays, de la comptence des services des Affaires Maritimes. L'volution du progrs en matire de construction navale consiste amliorer les performances des navires, et notamment leur vitesse maximum, ou sinon diminuer, pour une vitesse donne, la puissance ncessaire leur propulsion afin d'en rduire les cots d'exploitation. Un certain nombre de concepts se sont dvelopps dans ce sens, correspondant diffrents types de navires reprsents par l'illustration suivante :

1

2

3

4

5

6

7

8

9

13 Ces navires (de toutes dimensions, du plus lent au plus rapide) sont caractriss par leur mode de sustentation : - hydrostatique pour les navires classiques dits "archimdiens" (ou " dplacement"), monocoques (figures 1 3) ou multicoques (figure 4), - hydrodynamique pour les navires coque "planante" (figure 5) ou monte sur "hydrofoils" (figures 6 et 7), - arostatique pour les "navires effets de surface" (NES) (figure 8) ou sur "coussin d'air" (aroglisseurs) (figure 9).

Quelques concepts de navires du futur

Coussin d air

Monocoque en V (ex : frgate type la Fayette )

hydroptre

Navire effet de surface ( ex : AGNES 200)

catamaran

Catamaran foils

SWATH Small Waterplane Aera Twin Hull (ex : Sea Shadow )

Catamaran perceur de vagues

( ex: Sea Cat )

Navire effet de sol

Trimaran stabilisateurs

1.1.3

DESCRIPTION DU NAVIRE - TERMINOLOGIE - DEFINITIONSLe flotteur est un solide ferm de forme quelconque, dont le poids total est infrieur au poids du liquide dans lequel il se trouve, et qui remplirait son volume total (si son poids total est suprieur, il coule, ou plonge dans le cas d'un sous-marin ayant rempli d'eau ses ballasts). Tout navire se compose en premier lieu d'une coque qui constitue le flotteur. Le pont principal ou pont d'tanchit, ou pont de franc bord est le premier pont continu au dessus de la flottaison. Le pont de rsistance est le pont continu le plus lev. Le premier pont se trouve au dessus du pont principal. Le premier faux-pont se trouve au dessous du pont principal.

14 Pont de rsistance ( ou premier,deuxime pont ) premier pont pont principal premier faux pont deuxime faux pont

A l'avant, on trouve parfois une plate-forme surleve appele "teugue". Au milieu ou l'arrire, on trouve le chteau. Les plages avant et arrire sont des plates-formes dcouvertes l'avant et l'arrire. La tonture est la courbure longitudinale. Le bouge est la courbure transversale. Tonture Bouge

Les appendices de coque (gouvernail, hlices, plan anti-roulis ) dpassent de la coque. Le bord est l'lment principal de l'ensemble coque. Le bord de carne est constitu de virures assembles par soudure. - les virures de prceintes sous le pont de rsistance, - les virures de bouchain entre muraille et fonds, - les virures de galbord, - la virure de quille. La quille dsigne la partie axiale infrieure de la coque.

Forme vase pont pavois

Livet en abord bouge

Forme frgate

muraille

bouchain bord Quille massive Coque bouchains vifs Quille plate Coque en forme fonds

L'trave est la pice qui limite l'avant sur toute la hauteur de la coque.

15 L'tambot est la pice qui limite l'arrire, au niveau et au dessous de la flottaison. Le gouvernail est l'appendice de coque servant diriger le navire. Il est constitu d'une surface plane gnralement profile, appele safran, solidaire d'un axe gnralement vertical : la mche, sur lequel agit la barre ou les quipements de l'appareil gouverner pour l'orienter. La mche peut, dans certains montages (gouvernail suspendu par exemple) constituer le support du gouvernail. Elle peut tre remplace, dans d'autres, par des aiguillots venant se loger dans des fmelots, ou en partie basse, dans une crapaudine, ou toutes combinaisons des prcdents. La partie situe juste devant la mche peut tre le prolongement du safran dans le cas d'un gouvernail "compens", ou un aileron fixe. La barre est le module de manuvre du (ou des) gouvernail(s). Les uvres vives constituent la partie immerge du flotteur. Les uvres mortes en constituent la partie merge. La surface de flottaison est l'intersection entre le flotteur et la surface de la mer. Elle dtermine la ligne de flottaison. Le tirant d'eau est la profondeur maximum de la carne, le long d'une verticale donne, dans une assiette considre (tirants d'eau avant, milieu, et arrire). La longueur hors tout est la longueur maximale du navire (y compris avec ses appendices de coque). La longueur entre perpendiculaires est la longueur de la carne. La largeur maximale ou "largeur au fort" est considre pour les cluses, bassins ou chenaux. Elle peut se trouver au-dessus ou au-dessous de la ligne de flottaison. L'assiette est l'angle que fait, dans le sens longitudinal, une flottaison quelconque avec la flottaison normale de rfrence. La gte est l'angle que fait, dans le sens transversal, le plan de symtrie du navire avec la verticale. Le tirant d'eau moyen est la demi somme des tirants d'eau avant et arrire : TE moyen = (TE Avant + TE Arrire) /2 Il doit tre gal au tirant d'eau milieu : vrification simple pour viter les erreurs de lecture sur la coque. La lecture des tirants d'eau est fondamentale. La projection verticale des chiffres sur la coque mesure 10 cm. Seuls sont peints les chiffres pairs.3.30 3.20 3.10 3.00

32 30

Le dplacement est la masse du volume d'eau dplac par la carne. Le dplacement pleine charge comprend, en plus de la coque et de toutes les installations fixes du btiment : - l'quipage normal et les passagers dont l'embarquement est prvu par les capacits d'hbergement ; - les consommables (eau douce, combustibles, vivres ) ; - les munitions (stock de combat) ; - le lest mobile ; - le chargement. Le dplacement lge est le dplacement pleine charge sans les consommables, mais incluant l'eau douce. Le dplacement moyen d'essai est la moyenne entre le dplacement pleine charge et lge pour un btiment neuf. Le dplacement Washington est voisin du dplacement lge, il est exprim en long tons (1016 kg) et permet de comparer les flottes de surfaces. Le dplacement du sous-marin en surface (ou dplacement Genve) est voisin du lge. Il est exprim en long tons, mesure anglo-saxonne, et permet de comparer les flottes de sous-marins. Le dplacement d'un sous-marin en plonge est pratiquement constant, le volume de la coque paisse ne variant qu'avec la pression de l'immersion selon un faible pourcentage

16 La ponte bateau : les btiments de guerre ont souvent une carne fine. La rsistance la flexion longitudinale est alors le principal souci lorsque le btiment navigue sur une houle bien forme, il arrive que le centre du btiment soit situ tour tour sur une crte puis dans le creux d'une vague. Sur une crte, la partie milieu tend se soulever et les extrmits tendent s'affaisser. Le btiment prend de l'arc. Si au contraire, il est support par une crte chaque extrmit, le milieu situ dans un creux, le btiment se dforme l'inverse et prend du contre-arc.

arc

Contre-arc

1.1.4

HYDROSTATIQUE"La statique du navire ne recourt jamais de hautes thories mathmatiques. Elle fait surtout appel au bon sens, et s'efforce d'attirer l'attention sur un certain nombre de points que ni le constructeur ni le marin ne peuvent se permettre d'ignorer sans faire courir au navire des risques srieux" ( R. Frances, Statistiques du navire, ENSTA, 1976).

1.1.4.1 Principe d'Archimde"Tout corps partiellement ou totalement immerg dans un fluide reoit une pousse verticale, dirige du bas vers le haut, gale au poids du fluide dplac, applique au centre du volume immerg". Cette pousse, dite pousse d'Archimde, est la rsultante des pousses hydrostatiques exerces par le fluide sur la paroi dlimitant le volume immerg du corps. Lorsqu'il est immobile, le navire, considr dans une situation de chargement dtermine, est soumis deux forces : - son poids total P, appliqu en son centre de gravit G, dirig verticalement vers le bas, - la pousse d'Archimde A applique en son centre de carne B, dirige verticalement vers le haut. C'est le "dplacement" du navire (poids du volume d'eau dplac) qui, en toute rigueur puisqu'il s'agit d'une force, devrait s'exprimer en Newtons (N). Par commodit, on l'exprime souvent encore en tonnes (t, de 1000 kgf)

1.1.4.2 Conditions d'quilibre et de stabilit du flotteur1.1.4.2.1 Conditions d'quilibre Le navire est en quilibre statique si d'une part P et A sont d'gales grandeurs, et si d'autre part leurs points d'application, centre de gravit G et de carne B, sont situs sur une mme verticale.

G W V B K P 0 P G

B

Lorsque l'quilibre est possible, il s'tablit automatiquement. En gnral, et pour des raisons videntes de symtrie, les centres de gravit et de carne G et B se trouvent situs tous les deux dans le plan longitudinal du navire lorsque celui-ci est au repos, c'est--dire droit (gte nulle).

17 1.1.4.2.2 Conditions de stabilit Les schmas suivants montrent, par rfrence la verticale d'origine (axe de symtrie du navire), que trois cas de figures peuvent se prsenter, selon la position en hauteur du centre de gravit G, pour un flotteur donn :

G

G

G B P 1. Stable 1. B P

B P 3. Neutre

2. Instable

Le centre de carne se dplace plus loin vers le bord inclin que la verticale passant par le centre de gravit. Le couple des forces "poids-pousse d'Archimde" gnre un moment qui tend s'opposer la force "inclinante" (si on supprime la force inclinante, le navire tend se redresser) : l'quilibre est stable, le moment correspondant s'appelle "moment de redressement". Le centre de carne se dplace moins loin que la verticale passant par le centre de gravit. Le couple des forces '"poids-pousse d'Archimde" gnre un moment qui tend augmenter la gte, mme si on supprime la force inclinante, le navire tend s'incliner davantage, et l'extrme chavirer : l'quilibre est instable. Entre ces deux figures : le centre de carne se dplace exactement la verticale du centre de gravit. Le couple des forces "poids-pousse d'Archimde" gnre un moment qui reste nul, comme gte 0 : l'quilibre est neutre.

2.

3.

On analyse l'ensemble de la stabilit du navire en tablissant une courbe qui caractrise la stabilit d'un navire. On dtermine ainsi l'angle limite de stabilit statique L, pour lequel la valeur du moment de redressement est maximum, et l'angle de chavirement statique s, pour lequel le moment est nul.

G B

G

Z B

G B

G B

P GZ = 0 0

P GZ max o

P GZ = 0 s

P GZ = 0 180

On dfinit aussi l'angle limite de stabilit "dynamique", qui correspond l'quilibre des nergies supposes ncessaires pour d'une part amener le flotteur cette inclinaison et d'autre part pour lui permettre d'y rsister en fonction des caractristiques propres du navire.

18 1.1.4.2.3 Le mtacentre Pour qu'un navire en position droite soit en quilibre stable, il faut et il suffit que le centre de gravit du navire soit au dessous du mtacentre transversal (centre de la courbe dcrite par le centre de carne B lors d'une inclinaison). Dans la figure ci-dessous, l'intersection H de la verticale passant par le centre de carne B avec le plan longitudinal du navire s'appelle le point mtacentrique transversal relatif l'inclinaison , et sa distance "" au centre de carne B0 (en gte 0) la hauteur mtacentrique correspondante. Le centre de gravit du navire G est repr par sa distance "a" au centre de carne origine B0. L'quilibre est donc stable si" - a " est positif, c'est--dire si G est situ au dessous de H, instable dans le cas contraire. Le mtacentre M est situ sur la verticale BH. Le bras de levier GZ du couple des forces P et est obtenu en fonction de l'angle considr par la relation : Mt = P. ( - a) sin M

H G WL Bo K B a Z

r

B

PLa courbe des bras de levier est trace aujourd'hui pour la plupart des navires par des moyens informatiques, partir d'un modle de forme de carne suffisamment prcis. On fixe alors une valeur du dplacement, ou poids du navire, et la position correspondante de son centre de gravit. 1.1.4.2.4 Stabilit initiale Un navire est habituellement destin naviguer avec des angles de gte relativement faibles. S'il est complexe de calculer la valeur du bras de levier pour une gte importante, il est en revanche relativement simple de la calculer pour une gte proche de zro. Il est d'usage de faire ce calcul pour une gte de 1. Le moment correspondant - appel pour cette raison "moment unitaire" , caractrise ce qu'on appelle la stabilit initiale du navire. La connaissance de sa valeur, mme approximative, peut tre immdiatement interprte de faon pratique puisqu'elle correspond prcisment la valeur du couple (inclinant) qui donnerait au navire une gte de 1. Une embarcation ayant un moment unitaire de 2 t.m prendra ainsi une gte de 1 si on la charge de 1 tonne 2 mtres du plan longitudinal, ou 2 t. 1 m., ou encore environ 5 si on la charge 5 fois plus aux mmes endroits etc. L'exprience de stabilit Lorsqu'un projet de navire aboutit une ralisation, ses performances principales, par exemple sa vitesse, sont vrifies par mesures physiques. Le dplacement et la stabilit n'chappent pas ce contrle. Confiance est faite aux calculs de carne pour dfinir le dplacement correspondant une flottaison relle dont l'emplacement est mesur. Le poids ainsi dtermin est rapproch de celui dduit du devis des masses et de la situation de chargement au moment de la mesure des tirants d'eau. Cela s'appelle une vrification par pese d'Archimde. Son exploitation renseigne aussi sur la position en longueur du centre de gravit, puisque les calculs situent l'emplacement longitudinal du centre de carne en fonction du niveau et de la pente de la flottaison. La recherche de la position effective en hauteur du centre de gravit ncessite une opration complmentaire. C'est l'exprience "de stabilit" qui consiste incliner lgrement le navire, d'une manire matrise.

19 Le moment inclinant est produit par le mouvement transversal d'un lest de masse p de part et d'autre de l'axe longitudinal une distance d. La variation d'inclinaison en fonction de "p" et de "d" est mesure par un pendule, ou par un appareil inclinomtre.

M

GMsin

G

p

d

Compte tenu de la situation des poids bord du navire au moment de l'exprience (notamment le lest d'exprience, retrancher), des corrections permettent de situer G dans les autres cas de chargement, et de contrler la qualit des courbes de bras de levier tablies. S'il apparat des carts consquents entre les centres de gravit prvus et raliss, ces courbes devront tre retraces. Une rserve de lestage permet, dans de nombreux cas, de rsoudre un problme de stabilit en fin de construction. 1.1.4.2.5 Poids suspendu Considrons un navire la gte, reprsent par le schma ci-dessous, dont le poids total P est la somme de son poids propre et d'un poids p situ par exemple sur le pont, au centre de gravit g. Si p est fixe, le moment de redressement du navire est gal, comme on l'a vu, P. GZ. Si le poids p est suspendu un point O fixe situ la distance d de g, ce dernier point se dplace, du ct de l'inclinaison, en g' la verticale de O. Cette nouvelle position cre, par rapport la situation prcdente, un moment inclinant de valeur "p.gz" qui diminuera videmment d'autant la valeur du moment d'origine. Le nouveau moment de stabilit s'crit donc (par exemple pour une faible gte) :0 d

z g

g G Z

B

P

Mt = (P.GM - p.d). sin Le module de stabilit initiale transversale du navire est devenu P.GM - p.d, o p.d reprsente la perte de stabilit qui peut tre trs importante (d'autant plus que le point de suspension est lev ) jusqu' prsenter

20 l'extrme un rel danger pour la stabilit du navire. Du point de vue de la stabilit, tout se passe comme si le poids suspendu tait fixe mais situ en son point de suspension. 1.1.4.2.6 Carne liquide Bien que de nature diffrente, le problme des carnes liquides est comparable celui des poids suspendu. L'effet de carne liquide ne dpend pas gnralement de la quantit de liquide, mais dpend du moment d'inertie de la surface libre et du poids volumique du liquide. Elle peut tre considrable et prsente un rel danger pour la stabilit du navire. Tout se passe comme si le poids du liquide tait fixe mais remont en son mtacentre propre. Une solution pour rduire la perte de stabilit par effet de carne liquide consiste cloisonner dans le sens longitudinal les endroits susceptibles de poser problme de ce point de vue. 1.1.4.2.7 Courbes hydrostatiques En plus des courbes de stabilit dcrites prcdemment, l'ensemble des caractristiques hydrostatiques d'un navire est reprsent habituellement sous la forme d'un diagramme constitu d'un rseau de courbes appeles "courbes hydrostatiques". Elles dfinissent, pour diffrents niveaux d'enfoncement du navire paralllement la flottaison de rfrence (tirants d'eau) reprs sur un axe vertical (ordonnes), les valeurs correspondantes repres sur l'axe horizontal (abscisses) du dplacement, des rayons mtacentriques initiaux (r et R), des positions des centres de carne et de flottaison, des variations de charge par centimtre d'enfoncement et un certain nombre d'autres renseignements lis la gomtrie du flotteur. 1.1.4.2.8 Cas particulier de la stabilit dun sous-marin en immersion La position du centre de carne dun sous-marin en immersion reste fixe quelle que soit la gte (aux dformations de coque prs selon la pression dimmersion). La stabilit statique du sous-marin nest donc obtenue que si le centre de gravit se trouve plac sous le centre de carne. Pour une distance d entre ces deux points et une gte du btiment que nous supposerons bien pes son immersion (poids P = pousse dArchimde), le moment de stabilit devient : Mt = P. d sin Si la stabilit du sous-marin en immersion ne pose pas de problme du fait dun moment de stabilit correctement calcul lors de sa conception, en revanche la prise de plonge et le retour en surface font passer le btiment par un tat de stabilit statique nulle quand le centre de carne vient se confondre avec le centre de gravit. Une fois en surface, le sous-marin retrouve les mmes caractristiques de stabilit quun navire de surface, le centre de carne se trouvant alors plac sous le centre de gravit, et sa stabilit est dfinie par son - a propre . Le passage dune navigation en surface une navigation en plonge reprsente donc un moment dlicat de stabilit, que le sous-marin cherchera aborder avec une stabilit dynamique fournie par sa vitesse, ce qui entrane une transition logique vers le paragraphe suivant.

1.1.5

HYDRODYNAMIQUERAPPEL L'hydrodynamique navale fait largement appel aux quations et thormes de la "mcanique des fluides" qui sont relativement complexes et ardus. On se limitera donc en voquer ici les notions indispensables la comprhension du mouvement du navire dans son lment. Lorsqu'un mobile se dplace dans un fluide, sa vitesse est limite par la capacit qu'il a de s'y opposer, en particulier par ses caractristiques de "rsistance l'avancement". Sa vitesse est stabilise lorsque la force de propulsion quilibre l'ensemble des forces de rsistance l'avancement. Si on considre un flotteur en mouvement, on observe qu'une petite paisseur d'eau, appele "couche limite", est entrane par des forces tangentielles de viscosit une vitesse sensiblement gale celle du dplacement des particules d'eau directement en contact avec la paroi. Cette vitesse diminue au fur et mesure qu'on s'loigne de la paroi jusqu' devenir, faible distance, celle de l'eau libre. Si la carne est correctement profile, la couche limite, d'paisseur variable (quelques centimtres l'avant jusqu' plusieurs dcimtres l'arrire) l'enveloppe entirement. C'est l'ensemble des forces mises en jeu ici qui constituent la "rsistance de frottement". Il peut arriver, si la carne prsente des discontinuits de forme dues par exemple la prsence d'appendices de coque ou de coquillages, que la couche limite se dcolle, gnrant alors des tourbillons plus ou moins importants (vortex) : cest la "rsistance de remous". Toutes ces forces rsistantes constituent la trane, dans des proportions variables selon les formes et la vitesse du navire, et sont des forces de viscosit.

21

TOURBILLONS

DECOLLEMENT COUCHE LIMITE

1.1.5.1 Rsistance l'avancement du navireOn observe que lorsque le navire se dplace faible vitesse, les vagues qui l'accompagnent sont rapproches, tandis que leur distance augmente quand la vitesse du navire crot. Ce phnomne est l'origine de ce que l'on appelle la "rsistance de vague". La rsistance l'avancement totale d'un navire RT, encore appele "rsistance de remorquage", peut donc tre considre comme la somme des trois composantes (hypothse de Froude) : RT = RW + RV + RAA RW est la rsistance de vague. RV est la rsistance hydrodynamique dite "rsistance visqueuse", somme de la rsistance de frottement (RF) de l'eau sur la carne, qui dpend de la surface mouille (S) et naturellement de l'tat plus ou moins "lisse" de cette surface et de la rsistance de remous le cas chant. RAA est la rsistance arodynamique (souvent ngligeable en premire approximation, sauf fardage important ).

-

1.1.5.2 Rsistance de vagueLorsque le navire fait route, il entrane la mme vitesse que lui un systme de vagues, les "vagues d'accompagnement" qui se forment tout au long de sa flottaison, et dont la clrit "c" est gale la vitesse "v" du navire.

RAA RW P RF =RTFl

On peut schmatiquement distinguer quatre cas : 1. A faible vitesse, les vagues d'accompagnement ont une longueur d'onde infrieure la longueur du navire. La rsistance de vague est relativement faible, tandis que la rsistance de frottement est nettement prdominante. Lorsque la vitesse croit, la longueur d'onde des vagues augmente jusqu' correspondre approximativement la longueur du navire qui devient alors comme "port" par une seule onde constitue d'une crte l'avant et l'arrire et un creux au milieu. La rsistance de vague devient sensiblement plus grande que la rsistance de frottement. Si la vitesse augmente encore, la crte arrire s'loigne du navire, dont la poupe n'est plus alors "porte" par la crte, mais par la "pente" de la vague entre les deux crtes. Le navire se trouve en situation "cabre", trs dfavorable du point de vue de la rsistance l'avancement. La rsistance de vague est largement prdominante.

2.

3.

22 L

C=V1

^Fn < 0.4 (^ < L ) 2

^Fn = 0.4 ( ^= L) 3

^Fn > 0.4 (^ > L) 4

Fn > 0.7

(^>3L)

^

4.

Enfin, trs grande vitesse, le navire peut la limite se retrouver entirement "port" par sa vague avant, en situation "d'hydroplanage". Dans cette situation, le navire n'est plus port sur toute sa longueur effective L mais seulement sur sa partie arrire, tandis que l'avant se trouve souvent entirement dgag et en surplomb au dessus de l'eau, devant la crte qui porte le navire.

Les cas 1 et 2 sont les plus frquents et correspondent aux navires dits "archimdiens" (ou dplacement), tandis que les cas 3 et 4 ne sont possibles que pour des navires dots d'une puissance propulsive trs importante par rapport leur poids.

1.1.5.3 La houle1.1.5.3.1 Gnralits sur les mouvements de la mer La mer est un milieu liquide dont le mouvement est la rsultante d'ondulations de diverses priodes et de courants gnraux plus ou moins uniformes. * Les mouvements ondulatoires sont: - la houle dont la priode varie principalement de 0 20 secondes, et dont l'amplitude peut atteindre une dizaine de mtres, - la mare dont les priodes varient de 12 h environs 18 ans, et dont l'amplitude peut atteindre sur certaines ctes une quinzaine de mtres. - les seiches qui se produisent dans certains ports, avec une priode variant de quelques dizaines de secondes quelques minutes et une amplitude de quelques dcimtres, Ces mouvements qui se traduisent par une oscillation priodique du plan d'eau entranent des courants de mme priode, plus ou moins dphass par rapport la variation des hauteurs d'eau. * Les courants gnraux sont forms : - par des forces extrieures au milieu marin (vent), - par des forces internes du milieu marin (diffrences de salinit ou de temprature des couches d'eau). Les courants dus aux vents forts peuvent se superposer au mouvement de la mare, et produire d'importantes surlvations du niveau de la mer : c'est le phnomne du raz de mare bien connu sur les ctes du Japon, des Antilles etc. Les courants gnraux ont le plus souvent une faible vitesse, mais ils conditionnent les climats des rgions ctires : courants froids sur les ctes EST des continents et courants chauds sur les ctes OUEST pour l'hmisphre NORD, inversion pour l'hmisphre SUD.

23 1.1.5.3.2 Phnomnes physiques de la houle La houle est produite par l'action du vent la surface de l'eau : lors d'un coup de vent, la surface de la mer se couvre de rides, puis l'intensit du vent augmentant, la dformation de la surface s'accentue, en formant des ondulations d'aspect dsordonn sans qu'il soit possible de distinguer une propagation dans une direction dtermine (agitation 3 dimensions) .Si le vent persiste, les vagues se forment et progressent dans la direction o souffle le vent (mer du vent); l'agitation tend devenir un phnomne deux dimensions en donnant une houle cylindrique. Le profil des lames est fortement dissymtrique, les crtes tant couches sous le vent et les creux allongs avec de faibles pentes. A partir d'une certaine force de vent (Beaufort 3 4), la crte des vagues se brise avec formation de rouleaux d'cume donnant la mer un aspect moutonn. Les vagues de vent qui ont le caractre d'oscillations forces provoquent leur tour un branlement de la surface de l'eau produisant des ondes libres. Ces ondulations plus rgulires que les prcdentes constituent la houle. Les vagues se succdent avec des amplitudes, des longueurs d'onde et des priodes diffrentes. Lorsque la houle se propage par des profondeurs variables, sa longueur d'onde, son amplitude et sa direction subissent des modifications, alors que sa priode reste constante ; c'est le phnomne de rfraction. Lorsque la houle atteint une paroi verticale, elle se rflchit en formant un systme d'ondes stationnaires appels "clapotis". Le passage de la houle travers une passe ou proximit d'une digue unique entrane la rotation des crtes et une rduction de l'amplitude par diffraction. Lorsque la houle atteint une cte incline, la cambrure des lames augmente jusqu'au dferlement qui se traduit par un effondrement de la vague avec formation d'un bouillonnement (cume) sur la face antrieure. Les lames dferlent en gnral plusieurs fois avant d'atteindre la cte en formant plusieurs lignes de rouleaux, particulirement dangereux lors des grandes temptes. Le dferlement des lames s'accompagne en effet, d'une brutale libration de l'nergie de la houle, et entrane des consquences importantes pour la tenue des ouvrages ou des rivages et pour les embarcations qui les franchissent. 1.1.5.3.3 Seiches et ressac Certains ports (Alger, Casablanca, Cap Town, sont soumis des ondes de seiches qui sont de lentes oscillations du plan d'eau, dont la priode est comprise entre 1 et 10 minutes, la longueur d'onde de plusieurs centaines de mtres, mais dont l'amplitude ne dpasse pas quelques dcimtres. Ces ondes ne sont pratiquement pas diffractes travers les passes d'accs aux ports et pntrent profondment dans les darses et bassins o elles peuvent compromettre la tenue des navires quai : on montre qu'elles soumettent les navires des efforts alternatifs pouvant dpasser une centaine de tonnes en quelques dizaines de secondes. La protection contre les seiches tant trs difficile en raison de leur trs faible diffraction, il est ncessaire de prendre des prcautions pour l'amarrage des navires en vue de limiter d'amplitude de leurs dplacements horizontaux et les ractions des amarres. Les ondes de seiche, quelquefois appeles ressac, sont distinguer des petits clapotis, galement appel ressac, crs l'intrieur d'un port par une agitation rsiduelle de la houle normale et rflchie par des quais verticaux .

1.1.5.4 Mouvements du navire la merLe navire subit, selon ses caractristiques propres et l'tat de mer qu'il rencontre, des mouvements couramment appels "mouvements de plate-forme". Ce sont : par rapport l'axe longitudinal : - en translation : le cavalement (acclration - dclration) - en rotation : le roulis par rapport l'axe transversal : - en translation : l'embarde (bbord - tribord) - en rotation : le tangage par rapport l'axe vertical : - en translation : le pilonnement (haut - bas) - en rotation : le lacet

24

pilonnement embarde

tangage lacet cavalement

roulis

T

P G

R E

V

C

L

Tous ces mouvements trouvent leur origine dans l'tat de stabilit du plan d'eau sur lequel le navire volue. Les mouvements de tangage et de cavalement correspondent surtout la rencontre frontale du navire avec les vagues, tandis que les mouvements de roulis et les embardes correspondent plus leur rencontre latrale. Tous les mouvements se retrouvent, des degrs divers, dans le cas le plus gnral d'une rencontre oblique du navire avec les vagues. Ils augmentent toujours sensiblement la rsistance l'avancement et absorbent donc de l'nergie au dtriment de la propulsion. De plus, ils sont prouvant pour le matriel et les hommes, jusqu' devenir dangereux dans des conditions de mer difficiles.

1.1.5.5 Tangage et roulis1.1.5.5.1 Tangage Le tangage a son origine dans la rencontre plus ou moins frontale de la coque avec les vagues. Ce mouvement peut gnrer des chocs violents, surtout si la vitesse est leve. Le tangage d'un navire est d'autant mieux amorti que les masses qui le composent sont concentres autour de son centre de gravit. Le tangage sur houle Le tangage s'effectue pratiquement suivant la priode de la houle. Le tangage absolu d'un grand navire n'a qu'une faible amplitude , tandis que celui des navires courts a une amplitude voisine de celle de la houle.

V

d

vent houle

Action des lames Les lames vont frapper davantage les joues d'un bord que de l'autre. Elles font driver le navire d'un angle qui peut, parfois, tre suprieur la drive d, due au vent. Quand la mer est trs grosse, l'effet de drive est d'autant plus important que la vitesse se rduit.

25 Le navire tend tomber en travers sous l'effet des lames et il est trs difficile de contrer ce mouvement. Venir bout au vent et passer le lit du vent ne pourra parfois se faire qu'en augmentant la vitesse, ce qui peut ventuellement s'avrer impossible. Les lames venant de l'avant du travers tendent faire abattre le navire jusqu'au vent de travers et diminuer la vitesse. Les lames venant de l'arrire du travers tendent, au contraire accrotre la vitesse et faire lofer le navire jusqu'au vent de travers, mais aussi le faire engager. Action de la houle Le courant de houle est de sens inverse sur les crtes et dans les creux. Suivant la position du navire par rapport la houle, en cas d'embarde ou de route oblique, les courants de houle tendent remettre le navire sur sa route ou l'en carter davantage et le faire tomber de travers. crte crte

creux

Propagation de la houle Si la vitesse du navire est sensiblement gale celle de la propagation de la houle, le gouvernail est sans effet quand l'arrire est sur la crte. Comme le navire reste assez longtemps dans cette position par rapport la houle, il peut tre entran irrsistiblement en travers de la houle. Il faut modifier la vitesse, ou la route, afin que l'arrire ne reste jamais trop longtemps sur une crte, position pour laquelle le gouvernail est sans effet. Fatigue du navire due au tangage

Si la houle est courte par rapport la longueur du navire, ce dernier se trouve soutenu de faon trs ingale dans sa longueur.

26 La charpente supporte des efforts de flexion trs importants, auxquels peut alors s'ajouter le "coup de boutoir" des grosses lames frappant la partie arrire. Un navire court, naviguant sur houle longue, fatigue beaucoup moins au tangage. 1.1.5.5.2 Roulis Tout navire a une priode de roulis propre qui correspond, en eau calme, aux oscillations transversales qu'il prend de part et d'autre de sa position d'quilibre initiale aprs qu'on lui ait appliqu une force inclinante brusquement libre. Cette priode va de quelques secondes pour les navires de petites dimensions une dizaine ou plus pour les grands navires. Le roulis sur houle Plus la hauteur de houle est grande et la priode T courte, plus la rotation des particules d'eau la surface de la vague est rapide. Cette vitesse, ou plutt le fait que le navire monte et descend dans les vagues un rythme impos par le mouvement orbital, a des consquences importantes quand on considre les variations de stabilit. En effet, une crte de vague entrane une diminution du moment de redressement, alors que son creux provoque une augmentation du mme moment par rapport aux conditions en mer calme.

Le poids apparent du navire diminue ou augmente, dans la mme proportion que la force d'Archimde, la crte et dans le creux. Le moment de stabilit peut se trouver rduit la crte, ou augment dans le creux, surtout pour des vagues importantes et cambres. Un petit navire pris dans une trs grosse houle peut voir sa stabilit absolue doubler dans les creux, et disparatre compltement lorsqu'il se trouve au sommet des vagues. Comportement du navire Soit t la priode de roulis du navire en eau calme et T celle de la houle

t trs petite par rapport T : La priode t est courte, le navire suit le mouvement de la verticale apparente, car s'il en est cart, il revient trs vite. Les rappels sont brutaux. t est trs grande par rapport T : La direction de la verticale apparente varie trop vite pour que le navire ait le temps de s'orienter par rapport elle. Il reste presque droit et son roulis rel est faible. Grande stabilit de plate-forme.

27

t et T sont voisins Supposons le navire inclin sur Bd quand il est dans un creux. Le sens de rotation de la normale par rapport la houle est constamment le mme que celui du couple de redressement qu'aurait le navire en eau calme : chaque ondulation de la houle donne au navire une impulsion supplmentaire, de sorte qu'il repassera dans chaque creux avec une inclinaison suprieure celle qu'il avait au dbut. Le synchronisme parfait amnerait le chavirement.

Priode roulis navire

t 2Bd

3

1

Td 1 2 3

Heureusement, la plupart des vagues rencontres en mer sont irrgulires, avec des variations dans la frquence et la propagation. Le roulis peut atteindre son maximum sur une priode de plusieurs oscillations, quand le mouvement du bateau est accord avec le train de vagues, puis un processus de dsaccordement s'amorce et le roulis diminue. Les maximum successifs ne sont pas gaux et le nombre des oscillations de roulis n'est pas le mme dans les cycles qui se succdent d'un maximum l'autre.

28

Cependant, la possibilit existe de rencontrer un train de vagues peu prs uniformes pour lequel les conditions de rsonance sont runies. La parade un roulis devenant de plus en plus important consiste, s'il y a synchronisme, changer de route, ce qui modifie la priode apparente des vagues.

Conclusion La priode de roulis "t" d'un navire est directement proportionnelle sa dimension linaire. On a intrt rendre "t" aussi faible que possible sur un petit navire, de faon que celui-ci ne puisse tre en synchronisme qu'avec des houles trs courtes, sans danger pour lui. Les roulis seront durs, les rappels aux passages des crtes brusques, mais on ne risquera pas d'embarquer des paquets de mer. Pour un grand navire au contraire, dont le franc bord est lev, "t" est grande. Il est intressant d'avoir une priode de roulis plus importante que celle des plus longues houles. Le navire s'cartera peu de la verticale vraie et on aura une bonne stabilit de plate-forme.

1.1.5.6 Stabilit de routeLa stabilit de route caractrise l'aptitude qu'a un navire de rester sur sa trajectoire, c'est--dire conserver son cap, sans action sur le gouvernail. En cas de forte instabilit, la trajectoire devra tre corrige par une action sur le gouvernail qui, si elle l'amne dpasser nouveau le cap souhait, ncessitera immdiatement une action inverse, gnrant une route en lacet. Ce problme est particulirement sensible sur les navires de petites dimensions par rapport la longueur d'onde de la houle. Effet de la houle sur la distance d'arrt Malgr la perte de vitesse due la rsistance accrue lorsque le navire est soumis une houle de front, la distance d'arrt n'est pas diminue de faon systmatique. Efficacit du gouvernail Elle est soumise des variations frquentes, cause de la variation de la vitesse relative des filets d'eau sur le safran, alors que la vitesse orbitale de l'eau varie de la crte au creux de la vague.

29 Mouvements de lacets Ils deviennent sensibles pour des houles dont la longueur d'onde est suprieure 0,7 ou 0,8 fois la longueur du navire. Effet de tangage Il nuit essentiellement la stabilit du cap. Ces forces dstabilisantes dues la houle peuvent parfois tre difficilement contrles par l'effet de la barre, et compromettre l'entre d'une passe.

1.2 1.2.1

LES FORCES QUI AGISSENT SUR LE BATIMENT

ACTION D'UN FLUIDE EN MOUVEMENT SUR UNE SURFACE MINCELes principes gnraux de manuvre nous conduisent logiquement entreprendre les tudes suivantes : comportement dans l'air de toutes les parties extrieures d'un btiment, comportement dans l'eau de la partie immerge du btiment, appele carne. Aux vitesses qui intressent le navire, l'eau et l'air suivent l'une et l'autre les lois gnrales des fluides. C'est pourquoi nous rechercherons en premier lieu les actions subies par une surface mince dans un fluide en mouvement, et tout d'abord par une surface plane mince. Pour nous placer dans les diffrents cas intressants, nous serons obligs d'incliner cette surface par rapport la direction de la veine fluide dans laquelle elle est plonge. Nous ferons ainsi intervenir la notion d'angle incidence, tel qu'il est utilis en aronautique (angle du plan avec la direction des filets d'air) et non dans le sens habituel des physiciens (angle de la normale la surface avec le rayon lumineux).

1.2.1.1 Incidence nulleE W La veine fluide a une vitesse W. Une surface plane subit un effort d'entranement E dirig dans le mme sens que W. Cette force E est la rsultante de deux actions agissant dans la mme direction : l'une peut tre appele rsistance de forme, elle est dtermine par le volume de fluide que la surface, si mince soit-elle, dplace. Elle correspond l'effort que la surface dploie pour rompre la veine ; l'autre est une rsistance de friction cause par les molcules adhrentes aux cts de la surface, dont elles ont du mal se dcoller.

W

On peut se faire une ide du phnomne exprimentalement en dplaant une lamelle plane plong dans un liquide ou une veine d'air colors ou trs clairs. Les particules colores, ou les poussires, s'accrochent la surface et sont entranes dans un mouvement tourbillonnant, qui freine le liquide. Aux faibles vitesses, cette loi reste valable pour les angles d'incidence trs petits (infrieurs 5). Si, au contraire, on plonge dans la mme veine fluide une surface mince lgrement concave, on constate que la force d'entranement a disparu peu prs entirement, ou mme compltement lorsque le matriau est parfaitement poli. Par contre, apparat un mouvement dans une direction sensiblement perpendiculaire la corde, qui prouve l'existence d'une pousse reprsente sur la figure par la force F.

30 F

W

Renouvelant les expriences prcdentes, nous constaterons que les filets des fluides suivent le contour concave, ne laissant apparatre de lgers tourbillons qu' la partie arrire, l'endroit o la veine se reforme. Ceci explique pourquoi les ailes des avions anciens, dont la vitesse tait faible, prsentaient toutes une forme plus ou moins concave. On conoit galement comment ont pris naissance les profils des coques que nous qualifions aujourd'hui d'hydrodynamiques.

Surface profile On a pu prouver que la pousse F tait proportionnelle d'une part la surface du corps mince plong dans le fluide, et d'autre part au carr de la vitesse W de celui-ci.

1.2.1.2 Incidence quelconqueRevenons au plan mince . La rsultante des actions du fluide produit une force F lgrement dcale vers l'arrire par rapport la normale et qui peut se dcomposer en deux forces : l'une "E", oriente dans la direction du fluide, est une action d'entranement ou encore rsistante s'il s'agit d'avancement, l'autre "P", qui produit une pousse perpendiculaire cette direction, et a tendance dplacer le plan mince perpendiculairement au mouvement du fluide.n

P i

F

EW

i

31 Valeur de la force F Les physiciens ont multipli les expriences au tunnel arodynamique pour valuer cette force (Eiffel, Manfred Curry, Lilienthal) et rechercher comment on pouvait diminuer E et augmenter P. Ils ont admis que l'expression de la force F pouvait se mettre sous la forme. F = K . S . W . Sin i Ainsi, la force "F", pour des plans minces homothtiques, est proportionnelle leur surface "S", proportionnelle au carr de la vitesse du fluide "W", et augmente ou diminue en mme temps que l'angle d'incidence "i". Elle est maximale pour i = 90. En outre, elle dpend du coefficient numrique "K", auquel on attribue diffrentes valeurs selon : la qualit du fluide (plus ou moins grande densit), la forme de la surface rapporte un plan (proportion longueur-largeur), la concavit de la surface, la qualit plus ou moins lisse de la surface. Pour un carr unitaire plan dans l'air, "K" a t valu 0,13Kg. Pour la mme surface dans l'eau, il est 20 fois plus grand. Une surface rectangulaire plane attaque par la veine fluide par son grand ct sous une incidence "i" donne un coefficient "K" plus grand, donc une force "F" plus importante, que la mme surface rectangulaire attaque par son petit ct sous le mme angle. D'o l'intrt des gouvernails ou voiles plus hauts que larges.

KW

KK > K'

Si la surface devient concave, le coefficient "K" augmente dans d'importantes proportions : d'une part, la force "F" peut se diriger vers l'avant de la normale la surface ; ainsi "P", force perpendiculaire est augmente, et la force d'entranement "E" diminue considrablement, d'autre part, la force "F" est, pour des incidences infrieures 25, multiplie en moyenne par 3 ou 4. P Fn

i EW

i' Ceci est d un meilleur coulement du fluide le long de la surface et la cration, du ct de la convexit, d'une forte dpression (ou succion) venant s'ajouter la pression qui s'exerce dj dans la concavit.

32 La qualit de la surface agit galement sur le coefficient "K". Il n'chappe personne qu'une carne sale prsente une plus grande rsistance l'avancement. Pour la mme raison, les qualits des tissus des voiles sont en constante amlioration (nylon, dacron, orlon, kevlar, mylar ) et les voiles rigides (mats ailes) sont prfres pour les trs grandes vitesses. Point d'application de la force "F" Ce point s'appelle, selon le cas, centre d'effort "C", ou encore centre de pousse. Soit AB la surface plonge dans le fluide et M son milieu. Le point C est toujours situ entre le milieu M et le ct A d'arrive du fluide.A d M

F

C W P

B

Si on appelle "l" la longueur AB, et "d" la distance du centre de pousse l'arte d'attaque A, on admet gnralement pour une surface plane que : d = (0,2 + 0,3 sin i) * l C'est dire que le point "C" se dplace partir de l'avant entre le cinquime et le milieu de la surface, lorsque l'incidence augmente de 0 90.

F iW C M

i < i'

i' Dans le cas d'une surface concave, le point "C" reste sur l'avant du milieu, mais en est plus rapproch que dans le cas d'une surface plane (incidence plus faible de la partie avant de la surface que de la partie arrire). Les forces composantes de F sont alors plus fortes vers l'arrire que vers l'avant ; par contre, celles situes sur l'avant ont une direction en avant de la normale qui favorise P par rapport E.

1.2.2

ACTION DU VENTL'effet du vent prend une grande importance lorsqu'un navire volue faible vitesse, ou se trouve sans erre, ce qui est le cas aux approches des ports. Le vent est un mouvement d'ensemble d'une masse d'air suppose se dplacer dans une direction donne et une vitesse dtermine. Sur les navires, ce dplacement est mesur par un anmomtre, gnralement plac dans un endroit lev et dgag. La direction est indique en gisement par rapport l'axe du navire. La vitesse est donne en m/sec ou en nuds. La vitesse du vent n'est pas constante en altitude. Dans la couche d'air qui intresse un navire (de 0 30 m), elle varie suivant la courbe ci-dessous. Il s'ensuit qu'un navire est soumis un vent quivalent aux 3/4 du vent nominal en altitude, lequel devient peu prs constant au-del d'une hauteur d'environ 30 m.

33

40

30

20

10 5 2 V 0 0,5 1 V 30m

Valeur du rapport V x m / V 30m ECHELLE DES FORCES DU VENT , OU ECHELLE BEAUFORT Pression Kg au m (1) 0 0,5 2 4 8 12,5 24 32,5 50,5 78,5 110 160 > 160

Beaufort 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

mtres / seconde < 0,2 0,3 - 1,5 1,6 - 3,3 3,4 - 5,4 5,5 - 7,9 8 - 10,7 10,8 - 13,8 13,9 - 17,1 17,2 - 20,7 20,8 - 24,4 24,5 - 28,4 28,5 - 32,5 > 32,5

noeuds 64

Dnomination Calme Trs lgre brise Lgre brise Petite brise Jolie brise Bonne brise Vent frais Grand frais Coup de vent Fort coup de vent Tempte Violente tempte Ouragan

(1) Cette pression est valable pour une surface plane verticale au sol, dont le coefficient arodynamique ne peut tre assimil celui d'un navire.

1.2.2.1 Effet du vent sur une voileLa voile tant mince et lgrement concave, les lois gnrales nonces au chapitre prcdent s'appliquent peu prs intgralement. Il y a lieu toutefois de composer le mouvement du fluide (vent vrai) avec celui du bateau porteur de la voile pour connatre la direction du vent (vent relatif ou vent apparent) qui agit directement sur elle.

34 Vent apparent Tout navire qui utilise ses machines par vent nul ressent un vent apparent gal sa propre vitesse et directement oppos sa route. Il en est de mme du btiment stopp entran par un courant.V

Vv

Vv V Vn

S'il existe un certain vent vrai "Vv" la surface de l'eau, le navire qui se dplace dans une direction diffrente de ce vent avec une vitesse "V", ressent en ralit un vent "Va" qui est une rsultante du vent "Vv" et du vent "Vn" oppos la vitesse "V" du navire. Le vent "Va" s'appelle "vent apparent". Si le navire a de l'erre en avant, le vent apparent est plus rapproch de la direction de l'avant que le vent vrai, et sa direction est matrialise par la flamme ou la marque de tte de mt. Sur les bateaux voile, dont la vitesse dpend de la force du vent, l'angle "" entre le vent vrai et le vent apparent "Va" ne crot pas indfiniment ; il a une limite voisine de 2 quarts. Par contre, sur un btiment rapide, o Vn peut atteindre 15 20 m/s, la direction du vent apparent est souvent trs diffrente de celle du vent vrai. L'angle est voisin parfois de 180. C'est le vent apparent qui agit sur une voile, et l'incidence se compte donc toujours par rapport ce vent. Mais lorsqu'on dit d'un bateau qu'il navigue 5 quarts du vent, il s'agit de la direction de la coque, par rapport au vent vrai. On doit alors considrer l'angle que fait son axe avec le vent vrai. En rsum : lorsqu'on parle d'allure par rapport au vent, il est question du vent vrai, lorsqu'on parle d'incidence du vent sur les voiles, il est question du vent apparent. Consquences : un bateau voile qui pntre dans un courant voit le vent apparent augmenter et se rapprocher du lit du vent vrai, si le courant porte dans une direction qui s'oppose au vent. Il le voit diminuer et s'loigner du vent vrai le cas contraire. un bateau voile naviguant au plus prs peut "loffer" la rise. En effet, la vitesse du vent vrai augmente au moment de la rise (survente) beaucoup plus rapidement que la vitesse du voilier qui varie en fonction de son inertie. Le vent apparent se rapproche du vent vrai et permet, en maintenant la mme incidence, de faire momentanment une route plus prs du vent vrai. Action proprement dite du vent sur une voile C'est la rsultante "F" des pressions qui se dveloppent dans la concavit de la voile, et des dpressions qui prennent naissance dans la partie sous le vent. Nous avons vu qu'elle pouvait se mettre sous la forme : F = K.S. V2 sin i Et nous avons dtaill quelque peu l'influence du coefficient "K". L'tude plus approfondie de cette question nous conduit aux conclusions pratiques suivantes :

35 Au plus prs et au petit largue (correspondant pour le vent apparent une incidence comprise entre 6 et 25) Pour amliorer la pousse, on ne peut augmenter trop l'angle d'incidence sous peine de ne pas faire un cap suffisant et de ne pas gagner assez dans le vent. Il n'est pas recommand non plus de "tenir" trop prs du vent, ce qui diminuerait exagrment la force "F", et par voie de consquence la vitesse, proportionnelle la racine carre de "F". Il faut "faire courir"(ou "abattre"), tout en ttant le vent frquemment : c'est tout l'art des fins barreurs de prs ! A qualit de tissu gale, les voiles concaves ont une force propulsive suprieure et une rsistance infrieure aux voiles trs plates : - Parce que la dpression sous le vent atteint trois ou quatre fois la pression existant dans la concavit, - Parce que les remous, constats avec une surface plane, n'existent peu prs pas, - Parce que la pousse est dirige sur l'avant de la normale la voile. Les voiles plus hautes que larges, on un meilleur rendement que les voiles carres. Le grement marconi est donc suprieur ces allures (plus prs) au grement aurique. On admet gnralement que le rapport (hauteur - largeur) de 3 1 est le plus favorable. Ceci n'est valable que pour les angles d'incidence infrieurs 25. Enfin, l'effet de dpression (ou de succion) sous le vent d'une voile est amlior par la prsence d'une autre voile bien calcule. Les filets d'air qui s'engagent entre un foc et une grand voile, par exemple, augmentent la vitesse du vent sous le vent de celle-ci (effet de chemine). S'ils ont une direction bien tangentielle, l'effet de succion est plus puissant ; dans le cas contraire, ils dventent la grand voile et ont une action nfaste.

On conoit aisment que le bon rendement d'une telle installation dpende : de la forme du foc (ou du gnois), de la distance de son point d'amure au mt, de la longueur de son recouvrement, de la direction dans laquelle tire son coute. C'est une question d'architecte, de voilier, mais aussi de rglage de la part du marin. Au largue et au vent arrire (correspondant pour le vent apparent une incidence suprieure 25) Les voiles plates redeviennent sensiblement gales au voiles concaves par ce que l'effet de succion est beaucoup moins important ces allures, Les voiles auriques (rapport hauteur - largueur sensiblement gal 1) doivent tre plus bordes que les voiles marconi, mais elles dveloppent une pousse analogue, Contrairement ce qu'on pourrait croire, le maximum de pousse n'est obtenu pour aucune voile au vent arrire. On y supple par l'emploi de voiles spciales de trs grande surface (fortune, spinnaker ou autre), mais il y a parfois intrt, pour obtenir une marche suprieure, faire des routes successives lgrement en zigzag pour ne pas rester plein vent arrire.

1.2.2.2 Centre de voilureC'est le point d'application "C" de la rsultante de toutes les actions (pressions ou dpressions) agissant sur les diffrentes voiles. Il rsulte, de ce qui a t dit, que le centre de voilure ne peut se placer gomtriquement d'une faon exacte sur un plan de voilure. Nous savons en effet qu'il est situ en avant du centre de gravit de la surface, mais nous pouvons ajouter :

36 que sa position dpend de l'allure laquelle on navigue, puisqu'elle est fonction de l'incidence, qu' une mme allure, il change de place continuellement : - soit parce que le vent refuse ou adonne (variation d'incidence), - soit parce que le bateau a pris une gte supplmentaire par suite de la force du vent ou d'un dplacement de poids, - soit par suite d'un lger coup de barre (variation d'incidence), - soit par ce qu'on a choqu lgrement une coute sans touche aux autres (variation de la pousse d'une des voiles). Si on file exagrment une coute, ou si on laisse battre une voile de l'avant, on dplace le centre de voilure vers l'arrire, le bateau devient plus ardent. Si une voile de l'arrire n'est pas assez borde, ou si on la choque jusqu' la faire fasyer, on dplace le centre de voilure vers l'avant, le bateau devien plus mou.

1.2.2.3 Action du vent sur le fardageLe centre de gravit de l'aire du navire expose au vent forme, avec le centre de gravit de l'aire immerge, un couple qui tend faire voluer le navire. Les superstructures, l'assiette et le tirant d'eau jouent un rle important dans ces effets. L'action du vent sur les navires, aprs avoir jou pendant des sicles un rle primordial, s'est trouv relgu au second plan avec la disparition de la voile, au moins en ce qui concerne les transports maritimes et btiments de combat. L'effet du vent, cependant, reprend une grande importance lorsque le navire volue faible vitesse ou se trouve sans erre, ce qui est le cas aux approches d'un port ou en stationnement stopp. Bien entendu, la surface de voilure des parties merges (uvres mortes) joue ici le rle essentiel. Effet du vent sur la voilure d'un navire L'action du vent sur la voilure d'un navire peut tre reprsent par une seule force "K", rsultante des pousses positives ou ngatives sur les diffrentes voiles, force applique au centre de voilure "C" qui vient d'tre dfini.K C K'

G

K''

Si nous reportons au centre e gravit G du bateau deux forces " K' " et " K" " opposes, parallles et gales "K", il est ais de constater que la coque est soumise : une force d'entranement " K' " (applique en G), un couple" KK" ". Force d'entranement " KK' " On peut dcomposer cette force K' suivant trois directions rectangulaires : l'axe du bateau, c'est--dire en ralit une force de propulsion "p", puisque nous savons que " K' " est dirige sensiblement selon la normale la voile ou mme sur son avant, la perpendiculaire au plan vertical passant par l'axe, ou force de drive d, la verticale passant par le centre de gravit, qui peut tre, selon le cas, une force d'enfoncement ou d'enlvement, selon qu'elle est dirige vers le haut ou vers le bas. Elle a, dans tous les cas, un effet ngligeable sur un bateau de quelque importance.

37

d

K' p

G

e G

Couple" KK" " Il peut, lui aussi, se dcomposer en trois couples obtenus par projection sur trois plans rectangulaires. le plan horizontal passant par le centre de gravit : Ce couple produit une action volutive (auloffe ou abatte) qui peut tre diminue par le dplacement des points "C" et " C' " en agissant sur les coutes),C'

G

Le plan vertical passant par le centre de gravit et perpendiculaire l'axe du btiment Ce couple produit une action d'inclinaison ou "gte" qui peut tre limite de la faon suivante : - abaissement du centre de voilure (diminution de la toile), - augmentation du lest fix l'extrieur, - dplacement du lest mobile vers le ct au vent en le poussant le plus l'extrieur possible (quipier avec planche de rappel ou trapze, ballastage).C''

G Lest

Le plan vertical passant par l'axe du btiment. Cette action a une influence sur l'assiette du btiment produisant un effet d'immersion de l'avant, ou au contraire, d'enlvement. Au grand largue ou vent arrire, par trs forte brise, les petits bateaux qui ne planent pas doivent faire reculer leur quipage. Un tel effet, si curieux que cela puisse paratre, est assez sensible sur des bateaux de l'importance des golettes "Etoile" et "Belle Poule" : les bateaux "piquent du nez" au grand largue.C'''

G

38 En rsum De toutes ces actions, les plus importantes, et celles qui apparaissent nettement dans la pratique l'observateur, sont : la force de propulsion et la force de drive, le couple d'volution et le couple d'inclinaison, Le manuvrier peut agir : soit en dplaant le centre de voilure vers l'avant ou vers l'arrire (volution), soit en amliorant la direction de la pousse de faon qu'elle se dirige plus vers l'avant (augmentation de la force de propulsion, diminution de la force de drive), soit en abaissant le centre de voilure (diminution de la gte). Vent vrai - vent apparent S'il existe un vent vrai "Vv", la surface de l'eau, le navire qui se dplace dans une direction diffrente une vitesse "V", ressent en ralit un vent "Va", rsultante de "Vv" et du vent "Vn", oppos la vitesse. Sur les voiliers dont la vitesse "V" dpend de la force du vent, l'angle entre le vent vrai et le vent apparent ne crot pas indfiniment : il a une limite voisine de 2 quarts. En revanche, sur un navire rapide, la direction de "Va" peut varier jusqu' 180 de celle du vent vrai. C'est le vent apparent qui agit sur une voile et l'incidence se compte toujours par rapport ce vent. Mais lorsqu'on dit d'un bateau qu'il navigue "x" quarts du vent, il s'agit du vent vrai.

Vv

Vv Vv Vv Va Vn Va

Vn

Allures par rapport au vent (vrai) au plus prs serr plus prs plus prs bon plein travers largue grand largue vent arrire Nota : 1 quart = 1125 4 5 quarts du vent vrai 6 quarts du vent vrai 7 quarts du vent vrai 8 quarts du vent vrai 8 11 quarts du vent vrai 11 15 quarts du vent vrai 1 quart de chaque bord de l'axe du vent arrire

Action du vent sur les uvres mortes Sur la coque et le grement d'un voilier sec de toile, ou sur les superstructures d'un bateau propulsion moteur stopp, le vent agit approximativement comme sur de vritables voiles, qui prsenteraient leur convexit dans la direction d'o vient le vent. Tout navire qui avance une vitesse "V" par temps calme, ressent un vent apparent "Va" = "Vn" gal sa propre vitesse et directement oppos sa route.

39

Vent de quelques quarts sur l'avantF

C

F" F''' F' G

F""

Les parties les plus au vent sont attaques par les filets d'air avec une incidence maximale ; il en rsulte que : le point d'application "C" de la pousse "F" est plus en avant que s'il s'agissait d'une voile, En construisant au centre de gravit "G", deux forces opposes F' et F" d'intensit gale celle de F, on ne dtruit pas l'quilibre du systme. F' se dcompose en une force latrale F"' qui tend faire driver le navire, et une force longitudinale F'''' qui tend le faire culer. le couple FF" tend produire une abatte.

Vent de quelques quarts sur l'arrire

F' G

Le point "C" est situ sur l'arrire : la force " F' " tend faire driver et avancer, le couple "FF" " tend produire une auloffe Vent aux alentours du travers

F C

F"

Il existe une position du navire par rapport au vent, telle que la rsultante des forces F passe par le centre de gravit G du navire. Il y a toujours drive - il peut y avoir ou non tendance avancer ou culer selon que F est perpendiculaire ou non l'axe du navire. Mais il n'y a plus de couple d'abatte ou d'auloffe produit par le vent seul. Position du point d'application "C" centre de voilure : Il varie en fonction de la rpartition du fardage du navire qui dtermine le centre vlique Cv (centre fixe de gravit du plan de fardage projet sur l'axe longitudinal , et en fonction de l'incidence du vent. a) Selon le fardage

Cv F G G C F Cv C

40 Fardage prpondrant l'avant : la rsultante "F" passe par le centre de gravit "G" du navire pour un vent sur l'arrire du travers, Fardage prpondrant l'arrire : la rsultante "F" passe par le centre de gravit "G" du navire pour un vent sur l'avant du travers, Fardage galement rparti : la situation d'quilibre est acquise pour un vent voisin du travers. b) Selon l'incidence du vent

Cv

G

G Cv

Par analogie avec le centre vlique d'un voilier, on appelle centre vlique "Cv", le centre de gravit du plan de fardage projet sur l'axe longitudinal. Tout fardage fait driver : par vent de l'avant : tendance culer, puis abattre, par vent de l'arrire : tendance avancer et lofer, par vent de travers ; si le centre vlique Cv est sur l'avant du centre de gravit G, tendance l'abatte, si le centre vlique Cv est sur l'arrire du centre de gravit G, tendance l'auloffe.

1.2.3

ACTION DE LA MER

1.2.3.1 Rsistance de carne la marche directeLa rsistance l'avancement d'un navire qui se dplace dans le sens de son axe est d'vidence plus ou moins grande suivant le trac des lignes d'eau et l'tat de sa carne. Les formes de coque les plus favorables dcoulent d'expriences hydrodynamiques faites sur des sries de modles, tudis par moyens informatiques et tests au bassin des carnes. Mais le choix tient compte d'un certain nombre de critres classs par ordre de priorit : mission spciale du btiment, vitesse de croisire ou de pointe, qualits volutives particulires. Il en rsulte un compromis tel que le plan dfinitif n'est pas ncessairement celui qui prsente les meilleures qualits pour la marche directe, mme s'il cherche galement satisfaire cette condition. Selon la taille des navires, un plan de carnage est prvu afin de planifier les entretiens de la coque ( corrosion pour les mtaux, osmose pour les composs verre - rsine, d'autre part une salissure trop importante. Dans certaines eaux, plus particulirement dans les eaux chaudes, et lorsque le bateau reste souvent au mouillage, les herbes et coquillages poussent vite et augmentent dans des proportions trs importantes la rsistance l'avancement : pousse constante vitesse diminue, ou vitesse constante augmentation de la pousse (donc de la consommation). L'emploi de plusieurs couches superposes de peintures spciales assure une bonne conservation de la coque et rduisent les salissures de carne (attention aux normes pour respecter l'environnement !). On peut enregistrer en quelques mois, sans carnage de coque, une rduction de un nud ou plus dans la vitesse pour le mme nombre de tours d'hlices, ou jusqu' 20% de consommation en plus vitesse constante. Lorsque le navire est en mouvement il est soumis des forces de frottement de la part de l'eau dont la rsultante s'appelle rsistance de carne. La diffrence de nature entre l'action du vent sur les superstructures et l'action de l'eau sur la carne est primordiale. La premire est force motrice qui agit indpendamment de la vitesse du navire (le vent exerce son action sur un navire stopp) ; la seconde ne se manifeste que si le navire est en mouvement, elle est force rsistante.

41 Rsistance de carne la marche directe : "Ro" est la rsultante de deux forces : "Rf" : rsistance de frottement de la carne, "Rr" : rsistance de rencontre de la carne. (rsistance de vague : rsistance de pression) Force hydrodynamique sur l'lment de surface ds Force de pression normale ds sur l'lment de surface dsf' ds 12 2

Force de viscosit tangente ds sur l'lment dsf' f' f' f' f' f' f'

P =---- . p . v

Element de surface

Ro Rsultante des forces hydrodynamiquesf' f'

f' f' f' f' f' f'

Rsistance de vague Un navire se dplaant en eau calme engendre deux systmes de vagues : l'un partant de l'trave, l'autre de l'arrire et comportant chacun des vagues transversales et des vagues divergentes. L'nergie dpense pour crer ces vagues correspond la rsistance de vague. Cette rsistance dpend des forces d'inertie et de gravit et elle est fonction de la gomtrie du navire. Lorsque la vitesse du navire augmente, les vagues d'accompagnement deviennent plus hautes et plus longues, la rsistance augmente. Au del d'une certaine vitesse appele "vitesse limite d'une carne dplacement", la longueur de la vague dpasse la longueur de la flottaison, l'arrire du navire se trouve alors dans le creux et le navire se cabre. Une partie du poids du navire s'ajoute la rsistance de vague et la rsistance l'avancement augmente trs rapidement. Certaines coques sont conues pour pouvoir dpasser plus facilement cette vitesse limite (carnes fonds aplati). La rsistance de vague peut tre rduite par l'installation d'un bulbe l'avant. Nous pouvons dterminer les forces de pression et de dpression sur la carne en tudiant les trajectoires des lignes de courant qui l'entourent.c

a

b

d

42

Quand la section d'un "tube de courant" diminue, l'avant du navire, la vitesse de l'eau augmente, et inversement, lorsque la section d'un "tube de courant" augmente l'arrire du navire, la vitesse de l'eau diminue.

Ligne de courantB

Largeur du navire

Largeur zone pertube 1,5B

Conclusions pour un navire en dplacement rectiligne la composante transversale des forces de pression est nulle, la composante longitudinale qui s'oppose au mouvement du navire est toujours suprieure la composante qui favorise ce mouvement (cre en partie arrire du navire). Rsistance de frottement de la carne (rsistance de viscosit) Si nous faisons couler de l'eau sur une plaque de verre incline nous constatons : sur une certaine distance, l'eau s'coule parfaitement et rapidement. Il s'agit d'un coulement laminaire, au del de cette distance, la pellicule s'paissit considrablement et se recouvre de vaguelettes. L'coulement est moins rapide. Il s'agit d'un coulement turbulent. En fait, l'coulement de l'eau sur la carne s'effectue de manire plus complexe. Les composantes de la vitesse ont des fluctuations (rgime turbulent) dues un certain nombre de causes : viscosit, inertie, rugosit de la carne Couche limite Les molcules d'eau les plus rapproches de la coque adhrent celle-ci et leur vitesse relative est nulle. Au fur et mesure que nous nous loignons de la carne, l'eau atteint une vitesse "V"' qui tend devenir gale la vitesse V du navire. Cette zone de vitesse variable s'appelle la couche limite. C'est donc la couche situe entre la surface de la coque et la limite entre les coulements perturbs et non perturbs.

43

Vecteurs vitesse

Sparation couche pertube/zone non pertube Sparation rgimes laminaire/turbulent Sous-couhe limite laminaire Dcollement de la couche limite

Couche limite

DETAIL DANS LA ZONE LAMINAIRE Laminaire Turbulent ( sable ) Longueur du navire

Tourbillons

COUCHE LIMITE La couche limite tend tre laminaire sur l'avant, elle devient turbulente au point dit de transition, et le dcollement de la couche limite sur l'arrire entrane l'apparition de tourbillons gnrateurs de trs grandes forces de trane. Turbulence propre au fluide Sur un navire en route dans une mer agite, la turbulence initiale propre du fluide entrane une rduction de la zone d'coulement laminaire et acclre le dcollement de la zone limite, avec pour effet une augmentation considrable des forces de viscosit et plus gnralement de la trane. Rsistance des remous Le dcollement des tubes de courant autour de la carne, en particulier vers l'arrire du navire, provoque des tourbillons et une dpression qui engendre une trane. Cette trane s'appelle rsistance de remous. Pour une carne bien profile, la rsistance de remous reste faible, de l'ordre de 20% de la rsistance de viscosit. Mais sur une coque tableau dont l'arrire baigne dans l'eau, la rsistance de remous peut devenir aussi importante que la rsistance de viscosit. Gradient de vitesse et dcollement de la couche limite Plus la vitesse est grande, plus le point de dcollement de la couche limite se dplace vers l'avant de la coque. Couche limite Ligne de sparation vitesse nulle Etrave Zone de vitesses sur l'avant

1.2.3.2 Rsistance de carne la marche obliqueEn marche avant La drive se produit vers la droite, cas de la figure ci-dessous, lorsque le btiment reoit le vent par bbord (vers la gauche dans le cas contraire). Si nous assimilons la carne un plan mince, et lui appliquons les lois nonces au chapitre I, nous constatons que son dplacement dans l'eau sous l'angle d'incidence "d" donne naissance une pousse "r" (ici rsistante) applique en un point M situ sur l'avant du centre de gravit. Si la carne tait vritablement assimilable un plan vertical mince et parfaitement lisse, la rsistance r serait dirige perpendiculairement l'axe ; en ralit, elle est incline par rapport cet axe d'un angle "" trs suprieur l'angle "d". Cette force

44 "r" (reporte en r' au centre de gravit) s'oppose lgrement la propulsion et beaucoup la drive. Elle donne, en outre, naissance un couple (rr") dont les trois projections rectangulaires crent : un couple d'volution dans le plan horizontal, qui est de beaucoup le plus important, et le plus intressant pour le marin : couple d'auloffe, - un couple d'inclinaison dans le plan vertical transversal, dont nous retrouverons l'existence en tudiant les girations, un couple d'enfoncement, ou d'enlvement, dans le plan vertical axial.Vent r' r G Cap d Route r"

M

En marche arrire Le point d'application de la pousse "r" se trouve en un point M' situ assez en arrire, du fait de la forme trs arrondie de la hanche du btiment, de la rsistance des hlices, du tirant d'eau arrire et de la surface du gouvernail.

r

Vent

d Route M'

G

Le couple d'volution est alors un couple d'abatte trs nergique, produisant un effet beaucoup plus net que celui qui apparat en marche avant avec mme drive et mme vitesse ; cette diffrence provient de la longueur plus importante du bras de levier. Variation du point d'application et de la valeur de la pousse "r" Conformment aux lois gnrales des fluides, en marche avant comme en marche arrire, la pousse sur la carne augmente proportionnellement au carr de la vitesse du btiment; elle crot galement proportionnellement la surface de la projection verticale de la carne. Les tendances l'auloffe (ou l'abatte) dj signales sont donc beaucoup plus importantes grande vitesse. Le point d'application de la pousse se dplace en outre vers l'avant lorsque le navire prend de la bande sous l'action du vent : ceci est d un accroissement de la surface mouille vers l'avant. La tendance l'auloffe augmente alors considrablement.

Vent

45 Sur un petit bateau, les dplacements de poids permettent de faire varier la surface mouille avant par rapport celle de l'arrire dans un sens comme dans l'autre. Si on charge l'avant d'un petit voilier, le point d'application des rsistances de carne se rapproche de l'trave, la tendance l'auloffe augmente et le voilier devient plus ardent. Si on recule l'quipage, il devient au contraire plus mou. Nota : Ces phnomnes se vrifient de faon encore plus nette sur les voiliers dont les formes de l'avant sont plus pinces . Ils deviennent trs ardents par brise frache : au largue, par suite du grand accroissement de vitesse, au plus prs, quand leur gte est trop accentue.

1.2.3.3 Le centre de driveExprimentalement, on peut raliser diffrents essais de marche oblique en utilisant une remorque dont on fait varier le point d'attache. La tension de la remorque "T" fait alors quilibre aux autres forces agissant sur le btiment, de sorte qu'en projection horizontale "T" est directement oppose "r". Pour les trs faibles angles de drive (4 5), on constate : - qu'en marche avant, le point d'application de la remorque se trouve au point Mo, situ gnralement assez faible distance de l'trave, - qu'en marche arrire, il est situ au point M2, trs rapproch de l'arrire.

r

G M2 M1

M

Mo d Route T

Pour des angles de drive quelconque, M se dplace sur l'axe du btiment entre ces deux points extrmes : M0 qui a pris le nom de centre de drive initial avant, et M2 qui s'appelle centre de drive initial arrire. Pour un angle de 90 (marche transversale), le point d'application de la remorque se trouve en M1, qui correspond, dans le langage courant, l'appellation centre de drive. Il est gnralement peu loign du centre de gravit G de la surface obtenue par projection de la carne sur un plan longitudinal.

1.2.3.4 Applications pratiques des rsistances de carnes Point d'application de la remorque sur un remorqueur On place volontairement le point d'application de la remorque trs en avant de la poupe du remorqueur, peu de distance du centre de drive transversal, pour permettre des volutions plus aises malgr la tension de la remorque ( il autorise un angle "" important). Halage la cordelle Il s'agit d'un remorquage en rivire au cours duquel les pniches doivent se dplacer paralllement la berge malgr une traction oblique effectue sur le chemin de halage.Route d p Chemin De halage T

M

46 On amarre l'aussire sur l'arrire, et un palan p, situ l'avant, permet de faire passer le prolongement de la tension "T" par un point fictif M, tel que l'angle "" corresponde pour la vitesse considre un angle de drive "d". On peut faire varier lgrement le point d'application fictif M de la tension en agissant sur le palan. Le remorquage s'effectue alors gouvernail zro, paralllement la berge.

T

M

Dans d'autres remorquages analogues, le long d'une rive, on adopte un point moyen M pour la fixation de la remorque, et on maintient le bateau en route en utilisant le gouvernail ; il suffit alors d'un angle de barre peu important ; c'est le remorqueur dit "Embelle" ou "en embelle" (rsistance l'avancement plus importante que dans le cas prcdent).

1.2.3.5 Action de la houle et des lames sur la carneA l'action du vent, qui produit l