Stabilité du voilier

Prérequis

• Connaissances de niveau Day Skipper sur la construction des voiliers, les types de quille et le réglage des voiles, ainsi qu'une expérience d'entrée au stage Coastal Skipper (15 jours, dont 2 en tant que capitaine, 300 milles, 8 heures de nuit).
• Calcul de base : multiplication et division, et notion de moment (un poids multiplié par sa distance à un point de rotation).
• Une certaine expérience de la manière dont votre bateau gîte et se redresse dans la brise.

Le programme Yachtmaster Coastal attend d'un capitaine qu'il comprenne la stabilité qualitativement et l'utilise dans ses décisions pratiques : comment charger et arrimer le bateau, comment gérer les réservoirs, quand réduire la voilure, et quelles conditions de mer menacent un chavirage ou un retournement. On ne vous demandera pas de faire de l'architecture navale, mais vous devez savoir expliquer le GM, le GZ, la courbe de stabilité et l'angle d'annulation de stabilité.

Objectifs d'apprentissage

Cette leçon couvre le thème « Stabilité et chargement » du programme théorique RYA Yachtmaster Coastal (répartition des poids, conscience de la stabilité, calculs de chargement), au niveau pratique que demande le programme. À la fin, vous serez capable de :

• Définir le centre de gravité (G), le centre de carène (B) et le métacentre (M), et expliquer comment ils produisent un moment de redressement (programme : conscience de la stabilité).
• Expliquer la hauteur métacentrique (GM) et le bras de levier de redressement (GZ), ainsi que la différence entre un voilier raide et un voilier mou (programme : GM et stabilité initiale).
• Lire une courbe GZ et repérer le bras de levier de redressement maximal, l'angle d'annulation de stabilité (AVS) et l'étendue de la stabilité positive.
• Expliquer l'angle d'envahissement et pourquoi il peut limiter la gîte sûre avant l'AVS.
• Décrire les effets du chargement, de la gestion des réservoirs, de la surface libre et des charges sur le pont sur la stabilité, et calculer un KG simple (programme : répartition des poids et calculs de chargement).
• Décrire l'effet d'une voie d'eau sur la stabilité, et la notion d'inondation croisée (programme : stabilité après avarie).
• Suivre le déplacement, le tirant d'eau et l'assiette à mesure que le carburant, l'eau et les vivres sont consommés (programme : calculs de chargement, tirant d'eau et assiette).
• Relier la stabilité à l'état de la mer, en particulier au travers et aux lames déferlantes, ainsi qu'aux catégories de conception DCR et aux informations de stabilité du manuel du propriétaire.

Les forces fondamentales : G et B

Un voilier à flot subit deux forces :

• Le poids, qui agit verticalement vers le bas en passant par le centre de gravité, G : la position moyenne de toute la masse du bateau, y compris la quille, la coque, le gréement, le moteur, les vivres et l'équipage.
• La poussée d'Archimède, qui agit verticalement vers le haut en passant par le centre de carène, B : le centre du volume d'eau déplacé par la coque. La poussée est égale au poids lorsque le bateau flotte librement.

Lorsque le bateau est droit et au repos, G et B se trouvent sur la même verticale, comme le montre le schéma.

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G reste fixe par rapport à la coque sauf si des poids se déplacent (équipage, eau dans la cale, vivres mal arrimés, liquides dans les réservoirs). B n'est pas fixe : lorsque le bateau gîte, la forme immergée change et B se déplace vers le côté bas.

Le bras de levier de redressement (GZ)

Lorsque le voilier gîte, B se déplace sous le vent tandis que G reste en place. Le poids agissant vers le bas par G et la poussée agissant vers le haut par B sont désormais décalés horizontalement. La distance horizontale entre les deux lignes d'action est le bras de levier de redressement, GZ. Les deux forces forment un couple qui tend à redresser le bateau.

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Le moment de redressement est égal au déplacement multiplié par GZ. Par exemple, un voilier déplaçant 8 tonnes, avec un GZ de 0,35 m à 30 degrés de gîte, a un moment de redressement de 8 x 0,35 = 2,8 tonnes-mètres. Pour le faire gîter davantage, le vent doit produire, par la voilure, un moment de gîte supérieur à celui-ci.

Cela explique pourquoi :

• Un bateau lourd, à quille profonde, tient la toile : un fort déplacement et un G bas donnent de grands moments de redressement.
• Un équipier assis au vent ajoute au moment de redressement en déplaçant G au vent.
• Un bateau large, léger et plat possède une grande raideur initiale due à sa forme (B se déplace loin vers l'extérieur lorsqu'il gîte), mais il peut perdre sa stabilité rapidement aux grands angles.

Le métacentre et la hauteur métacentrique (GM)

Pour de petits angles de gîte (jusqu'à environ 10 à 15 degrés), la verticale passant par la nouvelle position de B coupe l'axe du bateau en un point presque fixe, le métacentre, M. La distance de G à M est la hauteur métacentrique, GM.

Pour de petits angles, GZ est approximativement égal à GM multiplié par le sinus de l'angle de gîte. Le GM indique donc avec quelle force le bateau résiste aux premiers degrés de gîte :

Les voiliers de croisière typiques ont un GM d'environ 0,5 à 1,5 m, selon la conception. La période de roulis fournit un indice pratique : un roulis rapide et sec suggère un grand GM, un roulis long et mou un GM plus petit. Si un bateau qui roulait habituellement vivement commence à rouler lentement et à rester penché en fin de roulis, quelque chose a relevé G ou réduit la ligne de flottaison : de l'eau dans le bateau, une charge lourde sur le pont, ou du givre sur le gréement aux hautes latitudes.

Le GM n'est qu'un indicateur de la stabilité initiale. Un bateau peut être très raide aux petits angles et avoir pourtant une étendue de stabilité médiocre ; c'est pourquoi il faut la courbe GZ complète.

La courbe GZ et l'angle d'annulation de stabilité

Tracer GZ en fonction de l'angle de gîte, de 0 à 180 degrés, donne la courbe de stabilité.

Lecture de la courbe :

• La pente à l'origine traduit le GM : plus la pente initiale est raide, plus le bateau est raide.
• Le GZ maximal se situe généralement à environ 30 à 40 degrés de gîte pour un croiseur moderne (davantage pour les bateaux étroits, lourds et à lest profond). Au-delà de cet angle, le moment de redressement diminue à mesure que le bateau gîte davantage ; une rafale qui le pousse au-delà du GZ maximal rencontre donc moins de résistance.
• L'angle d'annulation de stabilité (AVS) est l'angle auquel le GZ revient à zéro. Au-delà de l'AVS, le bras de levier de redressement devient négatif : le bateau continuera à chavirer et finira retourné.
• L'étendue de la stabilité positive va de 0 degré à l'AVS.
• L'aire sous la partie positive de la courbe représente l'énergie nécessaire pour faire chavirer le bateau ; l'aire sous la partie négative représente l'énergie nécessaire pour le faire revenir de la position retournée. Le rapport entre les deux mesure la rapidité avec laquelle il se redressera après un retournement.

Valeurs typiques de l'AVS : de nombreux croiseurs modernes de série se situent autour de 110 à 130 degrés ; les anciens voiliers traditionnels lourds et étroits peuvent dépasser 140 degrés. Un bateau dont l'AVS est inférieur à environ 120 degrés peut rester retourné un temps significatif s'il est renversé par une lame déferlante ; un AVS inférieur à 90 degrés est insuffisant pour la navigation au large.

Catégories de conception DCR et STIX

Les bateaux vendus au Royaume-Uni et dans l'UE depuis 1998 sont évalués selon la directive sur les bateaux de plaisance (désormais le Recreational Craft Regulations britannique). Chaque bateau reçoit une catégorie de conception liée aux conditions pour lesquelles il est conçu :

Pour les monocoques à voile, la catégorie dépend en partie d'un indice de stabilité (STIX) calculé selon l'ISO 12217-2, qui combine l'étendue de stabilité, l'énergie de redressement, la longueur, le déplacement, ainsi que les facteurs d'envahissement et de récupération après chavirage. Un STIX d'au moins 32 est requis pour la catégorie A et de 23 pour la catégorie B. La documentation du constructeur (le manuel du propriétaire) indique la catégorie et souvent la courbe GZ : consultez-la pour le bateau que vous commandez.

L'angle d'envahissement

L'angle d'envahissement est l'angle de gîte auquel l'eau peut pénétrer dans la coque par une ouverture : un capot de descente ouvert, un coffre de cockpit non étanche, un évent dorade, un écoutille avant ouverte ou la prise d'air du moteur.

Si le bateau gîte au-delà de cet angle, l'eau entre, ajoute du poids (souvent haut et sous le vent) et crée une grande surface libre : la stabilité s'effondre bien avant l'AVS théorique. Avec l'écoutille principale ouverte et les planches de cale retirées, l'angle d'envahissement d'un voilier typique peut n'être que de 35 à 60 degrés, très largement dans la plage d'un chavirage.

Conséquences pratiques :

• Mettez les planches de cale en place et fermez l'écoutille principale lorsque la mer est forte ou de nuit, et fixez les planches pour qu'elles ne tombent pas lors d'un chavirage.
• Fermez l'écoutille avant et les hublots avant de prendre la mer.
• Vérifiez que les coffres du cockpit ont des loquets et de bons joints ; un cockpit plein d'eau doit s'évacuer par les dalots du cockpit, et non dans le bateau.
• Considérez l'angle d'envahissement, et non l'AVS, comme la limite réelle.

Chargement et répartition des poids

G est le point d'équilibre de tout ce qui se trouve à bord. Chaque poids que vous ajoutez, retirez ou déplacez modifie G. Ajouter du poids bas (sous le G actuel) abaisse G et augmente le GM ; ajouter du poids haut élève G et réduit le GM.

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Règles pratiques :

• Arrimez les objets lourds bas et près du centre du bateau : conserves, bidons d'eau, outils, ancre de rechange et chaîne.
• Le poids en hauteur est particulièrement néfaste parce qu'il a un long bras de levier. Un radar, un enrouleur de voile dans le mât, un bloc d'instruments lourd en tête de mât, une drisse de rechange laissée en tête de mât, ou une personne en haut du mât élèvent tous G. Un kilogramme en tête de mât d'un gréement de 14 m a le même effet sur le KG que plusieurs kilogrammes sur le pont.
• Les extrémités du bateau : le poids à l'avant et à l'arrière (chaîne d'ancre dans un coffre avant, annexe sur bossoirs, moteur hors-bord sur le balcon arrière) n'affecte pas beaucoup la stabilité transversale, mais augmente le tangage et peut faire enfourner l'étrave. De nombreux propriétaires déplacent la chaîne vers l'arrière (dans un coffre près du pied du mât) pour les traversées.
• Les charges sur le pont : bidons de carburant attachés aux filières, annexe sur le pont avant, vélos sur le pont. Elles élèvent G, augmentent la prise au vent, peuvent se déplacer et absorbent l'eau (un sac à voile ou une bâche de capote trempés pèsent bien plus que secs).
• Tout doit être arrimé. Lors d'un chavirage, les batteries, l'ancre, la caisse à outils et les boîtes de conserve deviennent des projectiles, et un poids qui glisse sous le vent réduit la stabilité au pire moment. Les caissons de batteries et les planchers doivent être fixés.

Calcul du KG

Les architectes navals localisent G en calculant des moments. KG est la hauteur de G au-dessus du plan de référence de la quille (K). On multiplie chaque poids par sa hauteur au-dessus de la quille pour obtenir son moment ; on additionne les poids et les moments ; KG est égal au moment total divisé par le poids total. Puis GM = KM moins KG, où KM est la hauteur du métacentre au-dessus de la quille, qui découle de la forme de la coque (données du concepteur).

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Dans l'exemple ci-dessus, un bateau léger de 3,6 tonnes a un KG de 0,81 m. Avec un KM de 1,8 m, le GM est de 0,99 m. Voyons maintenant ce qui se passe lorsque le propriétaire ajoute du poids sur le pont.

Prolongement : ajout de charge sur le pont. Le propriétaire attache quatre bidons de diesel de 20 litres (environ 17 kg chacun, 68 kg au total) aux montants de filière, à 2,5 m au-dessus de la quille, et transporte une annexe gonflable de 40 kg sur le roof à 2,4 m.

Nouveau KG = 3186 divisé par 3708 = 0,86 m. Si le KM reste d'environ 1,8 m (il varie légèrement avec le déplacement), le nouveau GM = 1,8 moins 0,86 = 0,94 m. Le GM a diminué de 5 cm, soit environ 5 pour cent, à cause d'un peu plus de 100 kg de charge sur le pont. Sur un bateau léger dans une mer formée, combinés à l'équipage sur le pont et aux voiles mouillées, ces effets s'additionnent. Ranger les bidons dans un coffre de cockpit à 1,2 m aurait donné un moment de 82 kg m au lieu de 170, réduisant presque de moitié leur effet.

L'effet de surface libre

Un réservoir totalement plein se comporte comme un poids solide. Un réservoir partiellement rempli laisse le liquide se déplacer vers le côté bas lorsque le bateau gîte. Le poids déplacé agit sous le vent et réduit le GZ, exactement comme si G avait été relevé. C'est l'effet de surface libre, et l'élévation effective (virtuelle) de G dépend surtout de la largeur de la surface libre (elle varie avec le cube de la largeur du réservoir), et non de la quantité de liquide.

Règles pratiques :

• Gardez les réservoirs pleins ou vides lorsque c'est possible. Utilisez un seul réservoir à la fois plutôt que de puiser dans tous ensemble, afin qu'un seul réservoir ait une surface libre.
• Les cloisons anti-ballottement dans les réservoirs réduisent le ballottement et les charges dynamiques, mais n'éliminent pas l'effet.
• L'eau de cale est la pire surface libre car elle s'étend sur toute la largeur de la coque. Gardez les fonds de cale secs ; quelques centaines de litres d'eau qui ballottent sur le plancher de la cabine peuvent réduire la stabilité de façon spectaculaire, et c'est l'une des façons dont un bateau qui prend l'eau peut chavirer avant de couler.
• Stabilité après avarie : si le bateau est troué, le compartiment envahi ajoute du poids et de la surface libre. Les cloisons étanches (courantes sur les grands voiliers avec un caisson de collision à l'avant) limitent le volume envahi.

Consommables et état en fin de traversée

À mesure que vous brûlez du carburant, buvez l'eau et mangez les vivres, du poids sort du bateau. Si ces poids étaient bas (réservoirs sous le plancher de la cabine), G monte au fur et à mesure de leur utilisation. Prévoyez la condition la plus défavorable, généralement vers la fin de la traversée, lorsque les réservoirs sont bas et partiellement remplis (surface libre) et que l'équipage est fatigué. Lors des longues traversées, c'est la raison pour laquelle certains skippers remplissent un réservoir d'eau vide avec de l'eau de mer en lest, ou transportent le carburant dans des bidons bas plutôt que sur le pont.

La stabilité et la mer

La stabilité statique indique comment le bateau résiste à une force de gîte constante. En mer, les rafales de vent et les vagues ajoutent des charges dynamiques.

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• Rafales : une rafale peut atteindre environ 1,5 fois la vitesse moyenne du vent, et comme la force du vent croît avec le carré de la vitesse, une rafale de 1,5 fois exerce plus de deux fois la force de gîte. Réduisez la voilure pour les rafales, et non pour la moyenne.
• Les lames déferlantes de travers sont la principale menace de chavirage pour les voiliers. Des études menées après la course du Fastnet de 1979 ont montré qu'une vague déferlante d'une hauteur d'environ 30 pour cent de la longueur du bateau pouvait coucher un voilier typique à l'horizontale, et qu'une vague d'environ 55 pour cent pouvait faire rouler de nombreux bateaux sur 180 degrés. Pour un voilier de 10 m, cela correspond à des vagues déferlantes de seulement 3 m et 5,5 m respectivement, des tailles que l'on rencontre dans un coup de vent au-dessus d'un raz de marée ou en eau peu profonde.
• Les lames de l'arrière peuvent provoquer un abattée (le bateau pivote travers à la lame et est couché) ou, dans des conditions extrêmes, un pilonnage (pitchpoling). Le contrôle de la vitesse et le maintien de l'arrière face à la houle sont essentiels.
• Vent contre courant, les hauts-fonds et les caps accentuent les vagues et les font déferler. Ce sont les endroits autour desquels un capitaine Coastal doit planifier.

Réduire le risque : réduire la voilure tôt, garder le bateau en mouvement sous contrôle, éviter de se présenter par le travers des lames déferlantes (les prendre par le quartier ou par l'avant), éviter les raz et les clapots de courant par vent fort, garder le poids bas, les écoutilles fermées et les planches de cale en place, et l'équipage attaché.

Multicoques

Les catamarans et trimarans possèdent une très grande stabilité initiale due à leur largeur, mais leur courbe GZ atteint son maximum à un petit angle (souvent 10 à 15 degrés) puis décroît ; une fois qu'une coque se soulève suffisamment pour dépasser ce point, le chavirage peut survenir rapidement, et un multicoque chaviré est stable à l'envers. Leur voilure doit être réduite en fonction de la force du vent plutôt que de l'angle de gîte, car ils gîtent peu et donnent peu d'avertissement.

Stabilité après avarie et envahissement

Le programme vous demande de comprendre ce que fait une voie d'eau à un voilier. Trois choses se produisent simultanément lorsque l'eau pénètre dans la coque.

1. Poids ajouté. Chaque litre d'eau pèse un kilogramme. Cent litres dans la cale d'un voilier de 6 tonnes ne représentent qu'environ 1,7 pour cent de son déplacement, mais ils sont placés bas, donc l'effet sur le KG est faible ; le bateau s'enfonce davantage et son franc-bord diminue.
2. Surface libre. L'eau qui peut se déplacer sur le plancher de la cabine se comporte comme le réservoir partiellement rempli décrit plus haut, mais avec la surface la plus large possible. C'est généralement l'effet dominant, et il réduit fortement et souvent sans qu'on s'en aperçoive le GM.
3. Réserve de flottabilité réduite. À mesure qu'il s'enfonce, l'angle d'envahissement diminue, et le bord du pont passe sous l'eau à un angle de gîte plus petit. Plus il s'envahit, plus il est facile qu'il s'envahisse encore.

Un voilier envahi peut chavirer avant de couler. Si un bateau prend l'eau, l'ordre des priorités est le suivant : arrêter ou réduire l'arrivée d'eau (fermer une prise d'eau à la mer, boucher ou colmater un flexible défaillant, poser un matelas de voie d'eau sur une brèche), commencer à pomper (pompe électrique, puis pompe manuelle, puis seaux), et empêcher l'eau de se rassembler d'un seul côté en redressant le bateau et en gardant l'équipage au centre. Réduisez la voilure et la vitesse pour alléger la charge sur une étrave endommagée.

Inondation croisée et cloisonnement étanche

Les grands voiliers et de nombreux bateaux à moteur-voile disposent de cloisons étanches, comme une cloison de collision à l'avant, qui limitent le volume pouvant être envahi. Lorsqu'un compartiment envahi n'est que d'un côté, le bateau gîte. Les architectes navals utilisent l'inondation croisée (une ouverture qui laisse volontairement l'eau atteindre l'autre bord) pour limiter la gîte. Sur un petit voilier, le point pratique est plus simple : connaître l'emplacement de vos cloisons, vérifier si elles sont réellement étanches (une porte avec un jeu ne l'est pas), et savoir quels espaces s'envahiront les premiers par une prise de coque endommagée ou une vitre cassée.

Vérifications pratiques

• Repérez chaque prise d'eau à la mer et gardez un bouchon de bois tendre conique attaché à côté de chacune.
• Vérifiez les flexibles et les colliers en début de saison. Un flexible de dalot de cockpit ou de prise d'eau de moteur défaillant est la cause la plus fréquente de voies d'eau graves.
• Testez les pompes de cale et connaissez leur débit en litres par minute. Une pompe manuelle débite peut-être 20 à 30 litres par minute pour une personne en bonne forme ; un seau est souvent plus rapide.
• Installez une alarme de niveau haut dans la cale pour être alerté de l'envahissement avant que l'eau n'atteigne les batteries.

Déplacement, tirant d'eau et assiette

Les calculs de chargement du programme portent sur le suivi du poids à bord pendant une traversée et sur le maintien de l'assiette.

Suivi du déplacement

Le déplacement est le poids total du bateau, de l'équipement, du carburant, de l'eau, des vivres et de l'équipage. Les constructeurs indiquent un déplacement à vide et souvent un déplacement en charge ; un voilier de croisière flotte généralement 10 à 20 pour cent au-dessus de la valeur de sa brochure une fois équipé d'un radeau de survie, d'une ancre, d'une chaîne, d'une annexe, d'un moteur hors-bord, de batteries et d'un mois de matériel. Vous pouvez estimer l'effet avec cette règle : le poids supplémentaire (en tonnes) divisé par les tonnes par centimètre d'immersion (TPC) de la flottaison donne l'enfoncement supplémentaire en centimètres. Pour un croiseur typique de 10 m, le TPC est d'environ 0,15 tonne par centimètre ; 300 kg de vivres l'enfoncent donc de 2 cm. C'est un chiffre faible, mais les mêmes 300 kg placés à l'arrière relèvent l'arrière et modifient son assiette, et c'est à l'extrémité du bateau que les pires effets apparaissent.

Le poids sort aussi du bateau. Lors d'une longue traversée, 100 litres de diesel (environ 85 kg) et 200 litres d'eau (200 kg) peuvent être consommés. Si ces réservoirs étaient à l'arrière, l'avant sera désormais plus bas, et s'ils étaient bas dans la quille, l'effet sur G est de le relever légèrement. Vérifiez l'assiette après quelques jours et déplacez le matériel pour la corriger.

Tirant d'eau et assiette

Lisez la ligne de flottaison par rapport à la ligne de flottaison en charge, ou aux marques de tirant d'eau si elles existent. Un voilier qui s'assoit sur l'arrière laisse un sillage large, tape moins mais tient moins bien le cap vent arrière ; celui qui s'assoit sur l'avant pique davantage, enfourne dans une mer de face et embarque davantage de paquets de mer. Visez la ligne de flottaison prévue par le concepteur : les lignes de flottaison avant et arrière à peu près à la même hauteur au-dessus de l'eau. Les corrections les plus simples consistent à déplacer les objets lourds (chaîne d'ancre, bidons d'eau, rechanges) vers l'avant ou l'arrière jusqu'à ce que le bateau flotte bien droit.

Lignes de charge

Le programme mentionne également la connaissance des lignes de charge. Les navires de commerce portent une ligne de charge (marque de Plimsoll) indiquant le tirant d'eau maximal autorisé selon les eaux et les saisons. Un voilier de plaisance n'en porte pas, mais un navire relevant du Small Commercial Vessel Code de la MCA doit porter une marque de franc-bord, et le principe est le même : ne surchargez pas le bateau et gardez-le bien au-dessus de son franc-bord minimal.

Lire le manuel du propriétaire et la plaque constructeur

Toute embarcation de plaisance vendue au Royaume-Uni ou dans l'UE depuis 1998 possède une plaque constructeur indiquant la catégorie de conception, la charge maximale recommandée (équipage compris) et le nombre maximal de personnes. Vérifiez trois choses pour tout voilier que vous commandez :

1. La catégorie de conception (A, B, C ou D) correspond à la traversée. Un bateau de catégorie C n'est pas conçu pour traverser la mer du Nord par coup de vent, aussi bien équipé soit-il.
2. La charge maximale n'a pas été dépassée. Ce chiffre couvre les vivres, le carburant, l'eau, l'équipement et l'équipage ; il est facile de le dépasser sur un voilier de location avec un équipage complet et les réservoirs pleins.
3. Les informations de stabilité : une courbe GZ publiée ou une valeur d'AVS. Certains constructeurs publient l'indice STIX ; beaucoup n'indiquent que la catégorie. Si vous affrétez, demandez-les.

Un test utile sur le terrain : la période de roulis

Vous ne pouvez pas mesurer directement le GM à bord, mais vous pouvez percevoir les changements. Le bateau étant sur un coffre par vent faible, poussez la bôme ou les haubans pour lancer un roulis, puis comptez combien de temps prend un roulis complet (d'un bord à l'autre et retour). Notez-le dans le journal de bord. Une période de roulis nettement plus longue après un chargement signifie que G s'est élevé et que le GM a diminué ; une période plus courte signifie l'inverse. La formule utilisée par les architectes navals est que le GM est proportionnel à un sur le carré de la période de roulis, de sorte qu'une période de roulis qui s'allonge de 20 pour cent signifie que le GM a diminué d'environ 30 pour cent.

La stabilité et l'équipage

L'équipage est un poids, et il se déplace. Quatre ou cinq adultes assis au vent sur la filière d'un voilier de 10 m peuvent ajouter un moment de redressement considérable, mais les mêmes personnes debout sous le vent sur le pont lors d'un roulis, ou toutes ensemble dans le cockpit, relèvent G et ajoutent du poids à l'arrière. Gardez un nombre minimal de personnes sur le pont par mauvais temps, attachées, et gardez les autres bas dans le bateau. En cas d'urgence, déplacez l'équipage du côté haut d'un bateau qui gîte pour aider au redressement.

Un autre facteur est la fatigue. Un équipage fatigué prend de mauvaises décisions de voile, et la prise de ris tardive est la cause la plus fréquente et évitable d'un chavirage. La stabilité est une propriété du bateau, mais la décision de prendre un ris appartient à l'équipage. La règle pratique est la suivante : prenez un ris dès que vous y pensez.

Deuxième exemple détaillé : moment de redressement et surface de voilure

Un voilier de 9 tonnes a un GZ de 0,40 m à 25 degrés de gîte. Quel moment de gîte produit par le vent l'équilibre à cet angle ?

• Moment de redressement = 9 tonnes x 0,40 m = 3,6 tonnes-mètres.
• À l'équilibre, moment de gîte = moment de redressement = 3,6 tonnes-mètres.

Une rafale fait maintenant passer la vitesse du vent de 20 à 30 nœuds. La force du vent est proportionnelle au carré de la vitesse ; la force de gîte augmente donc de (30/20) au carré = 2,25 fois. Le moment de gîte devient environ 3,6 x 2,25 = 8,1 tonnes-mètres si les voiles restent établies de la même façon. À 25 degrés, le bateau ne peut produire que 3,6 ; il doit donc gîter beaucoup plus. Supposons que le GZ maximal soit de 0,55 m à 35 degrés, soit un moment de redressement maximal de 9 x 0,55 = 4,95 tonnes-mètres : toujours bien inférieur à 8,1. Il sera couché sur le côté, les voiles se videront, et le barreur doit abattre ou choquer les écoutes immédiatement. C'est pourquoi il importe de prendre un ris pour la rafale, et non pour la moyenne : une grand-voile réduite dans la même rafale divise par deux la surface et le moment de gîte, le ramenant sous 4,95.

Ce modèle simplifié ne tient pas compte du fait que les voiles perdent de leur puissance à mesure que le bateau gîte et que le gréement s'abaisse. Il montre néanmoins le principe que l'examinateur veut entendre : doubler la vitesse du vent quadruple la force, et un bateau a une limite stricte au moment de redressement qu'il peut produire.

Conseils pour l'examen et la pratique

• Les examinateurs et les moniteurs attendent que vous expliquiez G, B, M, GM et GZ à l'aide d'un croquis, et que vous disiez ce qui arrive à chacun lorsque l'on ajoute du poids en haut ou en bas.
• Soyez prêt à répondre à une question de chargement : « Où rangeriez-vous 200 kg de conserves, et pourquoi ? » (Bas, dans les coffres de l'axe près du milieu du bateau, bien arrimé.)
• Sachez expliquer pourquoi vous gardez les réservoirs pleins ou vides et pourquoi vous videz la cale avant une traversée.
• Connaissez la catégorie DCR du bateau que vous utilisez et ce qu'elle implique.
• Affirmez que l'angle d'envahissement, et non l'AVS, est la limite pratique, et dites ce que vous faites pour le relever (fermer les écoutilles, poser les planches de cale, fermer les évents).

Exemple commenté : préparer un voilier pour une traversée ventée

Vous êtes capitaine d'un croiseur de 10,5 m, catégorie B, AVS de 118 degrés selon le manuel du propriétaire. La prévision pour la traversée de 35 milles de demain annonce du sud-ouest 5 à 6, parfois 7 plus tard, mer modérée à forte. Le bateau revient tout juste d'une croisière de quinze jours.

Inventaire : la chaîne d'ancre (60 m de 8 mm, environ 85 kg) est dans le coffre avant ; quatre bidons pleins sont attachés sur le pont ; l'annexe est gonflée sur le pont avant ; le réservoir d'eau principal est à moitié plein ; la cale contient 20 litres d'eau.

Actions :

1. Déplacez les bidons dans le coffre du cockpit et attachez-les ; dégonflez l'annexe et rangez-la dans le bateau ou dans un coffre.
2. Étalez environ 30 m de chaîne dans la cale près du pied du mât pour réduire le poids à l'avant.
3. Videz la cale et trouvez l'origine de l'eau.
4. Remplissez le réservoir d'eau (ou videz-le complètement si un second réservoir est plein).
5. Arrimez les batteries, les planchers et les coffres lourds. Fermez et verrouillez l'écoutille avant et tous les hublots.
6. Mettez les planches de cale en place par mauvais temps, et gardez la planche inférieure en place en permanence pendant la traversée.

Plan de voilure : les rafales pouvant atteindre force 7 (28 à 33 nœuds), prévoyez de naviguer avec deux ris et un génois partiellement enroulé dès le début de la portion exposée, plutôt que de prendre des ris sur le pont avant dans une mer qui se lève.

Route : la route prévue passe devant un raz côtier à un moment où le courant portera contre le vent. Recalez le départ pour passer à l'étale, ou faites route à 3 milles au large du raz.

Ces actions abaissent G, suppriment la surface libre, relèvent l'angle d'envahissement et tiennent le bateau à l'écart des vagues les plus susceptibles de déferler. Rien dans cette liste n'exige une calculatrice ; cela exige la compréhension des principes.

Approfondissement tiré de la littérature sur la stabilité

Valeurs du STIX et seuils des catégories de conception

L'indice de stabilité est un nombre unique qui résume plusieurs propriétés de stabilité selon l'ISO 12217-2. Le STIX minimal pour chaque catégorie de conception est A 32, B 23, C 14 et D 5. Le STIX ne raconte pas toute l'histoire : l'ISO 12217-2 fixe aussi des valeurs minimales pour l'angle d'annulation de stabilité (environ 130 degrés ou plus pour les bateaux de catégorie A et B de taille courante, avec des valeurs inférieures pour les catégories plus petites ou moins exposées), pour la hauteur et l'angle d'envahissement, et pour la récupération après chavirage. Un STIX élevé sur un bateau dont l'angle d'envahissement est faible offre une marge de sécurité médiocre ; lisez donc toujours ce chiffre avec les autres données de la documentation du constructeur.

Moment de gîte dû au vent et pourquoi les rafales comptent

La force du vent sur une voile est proportionnelle au carré de la vitesse du vent apparent. Doubler la vitesse du vent de 20 à 40 nœuds quadruple donc la force de gîte ; passer de 15 à 30 nœuds produit le même effet. Le moment de gîte est cette force multipliée par la hauteur du centre de voilure au-dessus du centre de dérive ; réduire la surface de voilure et abaisser le centre de voilure (prendre un ris dans la grand-voile, passer à un foc plus petit) réduit donc le moment de gîte bien plus que ne le laisse supposer la seule perte de surface. Un bateau qui navigue confortablement à 18 nœuds toile dehors a besoin d'environ un quart de la surface à 36 nœuds pour supporter le même moment de gîte.

Le bateau se stabilise à l'angle de gîte où le moment de redressement égale le moment de gîte. Si la rafale est assez forte pour que le moment de gîte dépasse le moment de redressement maximal, il n'existe pas d'angle d'équilibre et le bateau se couche jusqu'à ce que les voiles lâchent le vent ou que le mât touche l'eau. C'est pourquoi un chavirage peut survenir dans un grain bien avant que l'AVS n'entre en jeu, et pourquoi vous prenez des ris tôt plutôt que de compter sur les réserves du bateau.

Formule de criblage du chavirage

Une règle empirique simple de l'Offshore Racing Congress est la formule de criblage du chavirage (CSF) :

CSF = maître-bau maximal (m) divisé par la racine cubique du volume de déplacement (m3)

Une valeur inférieure ou égale à 2,0 est jugée acceptable pour un voilier au large ; des valeurs supérieures indiquent un bateau large et léger, plus vulnérable à un retournement sous une lame déferlante.

Exemple : un voilier de 8000 kg avec un maître-bau maximal de 3,8 m. Volume de déplacement en eau de mer = 8000 / 1025 = 7,8 m3. La racine cubique de 7,8 est 1,98. CSF = 3,8 / 1,98 = 1,92, inférieur à 2,0, donc acceptable. Un voilier plus léger de 5000 kg (4,9 m3, racine cubique 1,70) avec le même bau donne 3,8 / 1,70 = 2,24, ce qui dépasse la référence.

Essai d'inclinaison et mesure de la stabilité

Les constructeurs et les experts déterminent la position réelle de G par un essai d'inclinaison : un poids connu est déplacé d'une distance mesurée en travers, et l'angle de gîte qui en résulte (mesuré à l'aide d'un long pendule ou d'un inclinomètre) donne le GM. La relation est GM = (p x d) / (P x tan de l'angle de gîte), où p est le poids déplacé, d la distance parcourue et P le déplacement. Le résultat est le point de départ de la courbe GZ. Si vous avez effectué des modifications importantes (un nouvel arceau radar lourd, un radeau de survie sur le roof, un mât à enrouleur, des batteries supplémentaires), les valeurs publiées ne s'appliquent plus exactement ; considérez la modification comme une perte de marge de stabilité.

Stabilité dynamique et effet d'une lame

Un bateau résiste au chavirage en absorbant de l'énergie, représentée par l'aire sous la courbe GZ. Une lame déferlante libère son énergie brusquement, et l'angle de gîte et de roulis atteint dépend de la quantité d'énergie par rapport à l'aire disponible. Un bateau dont l'aire sous la courbe est plus grande (GM plus élevé, étendue plus importante) a besoin d'une vague plus grosse pour le retourner. Un état de mer dans lequel les vagues déferlent avec une hauteur supérieure à environ la moitié de la longueur du bateau est une menace reconnue de chavirage, c'est pourquoi l'étude du Fastnet de 1979 et les recherches ultérieures se sont concentrées sur la hauteur des vagues déferlantes par rapport à la taille du bateau.

Exemple détaillé : charges suspendues et effet sur le KG

Un voilier déplace 6000 kg, avec un KG de 1,00 m et un KM de 2,30 m, donc GM = 1,30 m. L'équipage fixe un moteur hors-bord de 40 kg sur le balcon arrière, à 2,5 m au-dessus de la quille, et remplit deux bidons de carburant de 25 litres (50 kg au total) attachés sur le pont latéral, à 1,5 m.

1. Moments : 6000 x 1,00 = 6000 ; 40 x 2,5 = 100 ; 50 x 1,5 = 75. Total = 6175 kg m.
2. Nouveau déplacement = 6090 kg.
3. Nouveau KG = 6175 / 6090 = 1,014 m.
4. Nouveau GM (en supposant le KM inchangé) = 2,30 - 1,014 = 1,286 m, soit une perte d'environ 1 pour cent.

L'effet d'un seul élément est faible, et c'est là le danger : dix petits ajouts au cours d'une remise en état peuvent réduire le GM de 10 pour cent ou plus sans que personne ne s'en aperçoive. Ranger le moteur hors-bord dans le coffre du cockpit et le carburant bas dans le coffre du cockpit aurait permis de conserver l'essentiel de cette marge.

Erreurs courantes

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• Ranger du matériel lourd sur le pont ou en hauteur dans les coffres. Gardez les objets lourds bas et au centre.
• Naviguer avec des réservoirs à moitié pleins et une cale humide. La surface libre élève effectivement G ; utilisez un seul réservoir à la fois et gardez les fonds de cale secs.
• Ignorer la consommation des vivres et du carburant. Prévoyez la condition de fin de traversée.
• Considérer l'AVS comme la limite. L'envahissement survient généralement en premier. Gardez les écoutilles et les planches de cale fermées.
• Charges sur le pont non arrimées. Elles se déplacent, absorbent l'eau et augmentent la prise au vent.
• Se présenter par le travers des lames déferlantes. C'est l'orientation la plus dangereuse en matière de chavirage.
• Croire qu'un bateau raide est un bateau marin. Une forte stabilité initiale (GM) ne garantit pas une bonne étendue de stabilité.

Résumé

• G est le centre de tout le poids ; B est le centre du volume immergé et se déplace vers le côté bas lorsque le bateau gîte.
• Le bras de levier de redressement GZ est la distance horizontale entre les forces du poids et de la poussée ; le moment de redressement égale le déplacement multiplié par GZ.
• Le GM, hauteur de M au-dessus de G, gouverne la stabilité initiale : grand GM = raide, petit GM = mou, GM négatif = instable.
• La courbe GZ montre le GZ maximal (généralement 30 à 40 degrés) et l'AVS (souvent 110 à 130 degrés pour les voiliers modernes). Au-delà de l'AVS, le bateau chavire.
• L'angle d'envahissement est souvent bien inférieur à l'AVS et constitue la limite pratique.
• Gardez le poids bas et central, évitez le poids en hauteur et sur le pont, gardez les réservoirs pleins ou vides, gardez les fonds de cale secs et tout arrimé.
• Des lames déferlantes de travers, d'une hauteur d'environ 30 à 55 pour cent de la longueur du bateau, peuvent coucher ou faire rouler un voilier. Évitez les raz et les clapots de courant par vent fort.

Vérifiez votre compréhension

1. Qu'est-ce que le bras de levier de redressement GZ, et comment calcule-t-on le moment de redressement ?

Réponse : Le GZ est la distance horizontale entre la ligne d'action du poids passant par G et la ligne d'action de la poussée passant par B lorsque le bateau gîte. Le moment de redressement est égal au déplacement multiplié par GZ.

1. Votre bateau a commencé à rouler lentement et à rester penché en fin de roulis. Que peut-il s'être passé ?

Réponse : Le GM a diminué : G a monté, ou le G effectif a monté, par exemple à cause de l'eau de cale (surface libre), d'une charge lourde sur le pont ou d'un poids en hauteur. Enquêtez immédiatement.

1. Définissez l'angle d'annulation de stabilité.

Réponse : L'angle de gîte auquel le bras de levier de redressement GZ tombe à zéro. Au-delà, le bateau continuera à chavirer.

1. Pourquoi un bateau peut-il être en danger à un angle de gîte nettement inférieur à son AVS ?

Réponse : Il peut atteindre d'abord son angle d'envahissement, où l'eau entre par les écoutilles, les évents ou les coffres ouverts, réduisant rapidement la stabilité.

1. Un voilier de 4000 kg a un KG de 0,9 m. Vous ajoutez 100 kg à 2,9 m au-dessus de la quille. Quel est le nouveau KG ?

Réponse : Moment total = 4000 x 0,9 + 100 x 2,9 = 3600 + 290 = 3890 kg m. Poids total 4100 kg. Nouveau KG = 3890 / 4100 = 0,95 m, soit une hausse de 5 cm.

1. Pourquoi faut-il puiser l'eau dans un seul réservoir à la fois ?

Réponse : Pour qu'un seul réservoir ait une surface libre à un moment donné ; les réservoirs partiellement remplis laissent le liquide se déplacer et relèvent effectivement G.

1. Quelle taille de lame déferlante peut coucher ou faire rouler un voilier de 12 m, selon les recherches menées après la course du Fastnet de 1979 ?

Réponse : Une vague d'environ 30 pour cent de la longueur (soit environ 3,6 m) pouvait le coucher à l'horizontale ; une vague d'environ 55 pour cent (soit environ 6,6 m) pouvait faire rouler de nombreux voiliers sur 180 degrés.

1. Qu'indique la catégorie de conception DCR C ?

Réponse : Côtière : conçu pour les eaux côtières, les grandes baies, les estuaires et les lacs, par vents jusqu'à force 6 et hauteurs significatives de houle jusqu'à 2 m.

1. Pourquoi un poids en tête de mât est-il bien plus néfaste que le même poids sur le pont ?

Réponse : La hausse de G causée par un poids ajouté est proportionnelle au poids multiplié par sa hauteur au-dessus du G existant. Un poids en tête de mât peut se trouver dix fois plus haut au-dessus de G qu'un poids sur le pont, il relève donc G bien davantage.

1. La période de roulis d'un voilier s'allonge d'environ 20 pour cent après que le propriétaire a rangé du matériel supplémentaire dans les coffres arrière et sur le pont. Que vous indique cela, et que feriez-vous ?

Réponse : Le GM a diminué (d'environ 30 pour cent pour un roulis allongé de 20 pour cent) parce que G a monté, donc la stabilité a réduit. Repérez le poids lourd ou haut, placez-le bas et au centre ou retirez-le, puis vérifiez à nouveau la période de roulis.

1. Un plancher de cabine envahi est plus dangereux pour la stabilité que le même poids d'eau dans un réservoir étroit. Pourquoi ?

Réponse : L'eau répartie sur toute la largeur du plancher de la cabine a une surface libre très large. L'effet de surface libre dépend de la largeur de cette surface, donc l'eau qui se déplace réduit le GM bien plus que ne le laisserait supposer son seul poids.

1. Une rafale fait passer le vent de 20 à 30 nœuds. De quel facteur la force de gîte augmente-t-elle, et quelle est la leçon pratique ?

Réponse : La force croît avec le carré de la vitesse : 2,25 fois. Prenez des ris pour les rafales, et non pour le vent moyen, et choquez les écoutes ou abattez immédiatement si vous êtes surtoilé.