Le fluvial de JP Lamotte - Technique
page d'accueil Tous les liens Retour page pilote Le safran
Comme une aile d'avion et contre les idées reçues
 

L'électricité Watts en Ampères Le moteur Les moteurs anglais Vitesse critique Flottaison Le safran Memo pratique Noeuds en km/h
safran, la fin des idés reçues
Dans cette page :
1 - Principe
2 - Différence voile-moteur
3 - Fonction anti-dérive



4 - Compensation
5 - Profil & section




"Un principe qui ne bouleverse pas une idée reçue n'est pas un principe viable" (Albert Einstein)

Texte réactualisé en janvier 2009

       


            Cet appendice très simple en apparence assure la direction du bateau. Plongé dans l'eau, invisible, personne n'y pense. Pourtant bien des maux de comportement du bateau viennent de lui et sa mauvaise conception.



            Le safran inventé au moyen-âge à révolutionné l'art de naviguer en remplaçant l'aviron de queue. Il est devenu tellement familier qu'on a tendance à croire qu'une simple tôle plate, quelle que soit sa forme est suffisante pour assurer la direction du bateau. La vérité est bien différente, car le safran à un rôle très important sur le comportement d'une coque qui avance dans l'eau.


Un peu de terminologie
            Il ne faut pas confondre le safran et le gouvernail qui est l'ensemble des pièces qui composent l'appareil à gouverner. Le safran, n'est qu'une de ces pièces. C'est la partie agissante dans l'eau. Les autres pièces qui composent cet ensemble sont très différentes selon le type de bateau (barre franche, à roue, etc...) mais leur rôle est toujours le même, transmettre les gestes du barreur au safran.


       


            Comme chacun le sait, le safran est l'organe qui assure les changements de direction du bateau et lui permet de tenir une route droite (sauf dans le cas d'une propulsion par embase pivotante comme un z-drive ou moteur hors-bord). Là nous entrons dans le vif du sujet et cela risque fort de bouleverser les idées reçues chez les constructeurs amateurs et remet en question les plans empiriques d'antan. Tout ce qui suit est très important dans la conception d'un safran et est basé sur les lois de l'écoulement dans les fluides, vérifiées et prouvées par les essais en bassin des carènes et par l'aéronautique. L'architecture d'un safran et son écoulement dans le fluide est identique à une aile d'avion. La différence est qu'un avion dont les ailes sont mal conçues, ne vole pas ou tombe. Un bateau dont le safran est mal conçu flotte très bien mais est pénible à diriger… alors on fait avec. Lors de mes différents essais j'ai vu des cas dramatiques chez des petits constructeurs qui faisaient la confusion entre "design", "architecture navale" et "engineering".

            Quand le bateau va tout droit, le safran est dans le prolongement exact de l'axe du bateau. Lors d'un changement de direction, on pivote plus ou moins le safran et les filets d'eau sont déviés. Dans le même temps, le safran oppose une résistance à l'avancement et une résistance à la main qui le fait pivoter. Jusque là, tout le monde le savait ou s'en doutait. C'est ce qui suit qui bouleverse quelques idées reçues :

            Cette résistance est quasiment nulle sur le bord d'attaque (à l'avant du safran) et va croissante vers le bord de fuite (vers l'arrière). A l'inverse, l'efficacité du changement de direction est très importante sur le bord d'attaque et va en diminuant vers le bord de fuite.


            Il est donc très facile d'en déduire qu'un safran étroit et profond est beaucoup plus efficace et oppose beaucoup moins de résistance aux commandes de transmission.

            A l'inverse, un safran long sur le plan horizontal et peu profond, est très peu efficace et oppose beaucoup de résistance aux commandes. Il existe un type de bateau qui démontre cela, sans calculs et avec une redoutable acuité, c'est le voilier dériveur lesté avec safran pivotant. Avec safran en position basse, il répond avec beaucoup de vivacité et sans effort. En eau peu profonde, on relève le safran vers l'arrière, il faut alors beaucoup de place simplement pour virer un peu et il faut développer une force importante sur la barre franche.

            Cela va complètement à l'inverse des safran démesurément longs qu'on rencontre encore sur les vieux bateaux fluviaux. Ils ont étés construits sur des bases empiriques sans aucune connaissance des lois de l'écoulement dans les fluides et des idées fausses qui faisaient croire que plus c'était long, plus c'était efficace. Ce phénomène est bien connu en aéronautique. Qu'un plan se déplace dans l'eau ou dans l'air est le même et sur les avions, l'empirisme n'est plus permis. Quel avion doit optimiser au maximum sa portance et limiter au maximum sa traînée ? Un planeur bien sûr puisqu'il na pas de moteur. Que l'on observe ses ailes , elles sont longues et étroites parce que c'est le bord d'attaque, le plus efficace.

            A noter également que moins la vitesse est élevée, moins le safran est efficace. Donc plus un bateau va lentement, plus son safran doit-être efficace. Pour comprendre, il suffit de comparer le safran d'un voilier et celui d'un bateau à moteur à coque hydroplanante.


       

safran 001

Sur le principe :

A - L'efficacité : Maxi au bord d'attaque et décroissante vers l'arrière

B - La résistance au pivotement : Mini au bord d'attaque et croissante vers l'arrière


A gauche :
- Bon safran, efficace avec un bord d'attaque long et peu de résistance

A droite :
- Bord d'attaque court donc peu d'efficacité et une longueur où la résistance au pivotement va croître de façon démesurée.

       


Différence entre voile et moteur
            Ce qui vient d'être expliqué concerne en premier lieux les voiliers qui ne font que glisser dans l'eau. Pour les bateaux à moteur, l'hélice génère un flux d'eau vers l'arrière qui fait avancer le bateau par réaction. C'est en déviant une partie de ce flux que le changement de direction s'effectue. On verra plus loin que la compensation augmente le flux dévié. Pour cette raison, les quelques rares essais de bateaux avec "un" moteur et "deux" safrans latéraux qu'il nous a été donné d'essayer se sont montré très décevants.



Quand la poussée s'arrête (moteur au point mort), le bateau avance sur son erre et se retrouve dans la même configuration qu'un voilier et ce qui est expliqué plus haut s'applique. Si le bateau ne dispose que d'un petit safran on se retrouve dans la configuration d'une propulsion par embase. La poussée doit-être permanente pour avoir de la direction. Cela ne facilite pas les manœuvres.



La fonction anti-dérive
            Le safran à également un rôle de plan anti-dérive. De toute façon, il a cette action, qu'on le veuille ou non. Il faut donc composer avec sa présence pour équilibrer le plan anti-dérive. Mais d'abord, qu'est-ce que la dérive et le plan anti-dérive ? Prenons un parallélépipède rectangle quelquonque sur une surface lisse. Poussons le vers l'avant ou vers l'arrière et de façon latérale. Il n'oppose pas plus de résistance dans un plan que dans l'autre. C'est ce qui se passe sur un bateau à fond plat sans ligne anti-dérive par vent latéral. Rien ne s'oppose au vent. C'est une galère de piloter un de ces vieux bateaux fluviaux qui se conduisent comme une assiette sur un parquet ciré. Maintenant posons une règle et maintenons la fixe contre sur le plan lisse. On appuie le long de cette règle le grand coté du parallélépipède qui peut toujours avancer d'avant en arrière mais il ne peut plus se déplacer latéralement. C'est le rôle que joue une quille longue en s'opposant au déplacement latéral.

"En architecture navale, un propriétaire doit définir jusqu'ou il est prêt à aller
pour tolérer l'inconvénient généré par l'avantage recherché"



            Sur certains bateaux fluviaux, il n'y à pas de quille (ou si peu) et le seul plan anti-dérive est représenté par le safran et les bords de carène. L'autre élément à prendre en compte est la composante vitesse/dérive qui s'annule. Cela qui signifie que plus la vitesse est élevée, plus le plan anti-dérive est efficace et là encore, plus le plan anti-dérive est profond, plus il est efficace. Les bataux fluviaux étant lents, il devraient posséder des lignes anti-dérive éfficaces... ce qui malheureusement s'oppose au faible tirant d'eau recheché

            S'il n'y avait aucun plan anti-dérive le bateau deviendrait incontrôlable au moindre coup de vent latéral à faible vitesse. C'est pour cette raison que les voiliers qui utilisent les forces latérales pour avancer en présentant un maximum de surface avec les voiles doivent lutter contre les effets néfastes avec des quille efficaces. Certes, on pourra rétorquer que comparer un voiler avec un croiseur fluvial est surprenant, et bien pas du tout. Leur avancement dans l'eau est régit par les mêmes lois physiques et les besoins extrêmes de l'un apportent des enseignements pour l'autre.


       


La compensation
            Sur un voilier, la barre peut devenir occasionnellement dure lors de la gîte, car la carène dynamique (penchée), devient asymétrique. Sur un bateau à moteur (qui ne déjauge pas), quand on tourne le volant ou qu'on pousse la barre, le safran dévie la poussée de l'hélice quand il n'est plus dans l'axe (en virage). L'effet est de faire tourner le bateau puisqu'une partie de poussée agit de façon oblique. Mais la safran doit résister à cette poussée pour ne pas se remettre dans l'axe. Pour que la force à exercer sur la barre reste docile et accessible aux petites musculatures, il y a trois solutions :

a) – Démultiplier la transmission
            C'est techniquement simple. Une barre démultipliée cela permet de tenir une route de façon précise. Sur une ancienne péniche la barre peut-être démultipliée de 30 tours. Linconvénient est que les manœuvres n'en sont pas simplifiées

b) – La direction hydraulique
            Très efficace, la direction peut-être à la fois douce et très directe. De toute façon elle est obligatoire à partir d'une certaine taille. Avec les systèmes Lecomble & Schmitt, très présents sur le coches de palisance du fluvial (habitable de 9 à 15 m), la démutiplication va de 4,5 tours d'un bord sur l'autre chez Nicols à 6,75 chez Locaboat. Par contre, les constructeurs amateurs devront prêter attention au fait que la force de la pression d'huile peut faire ignorer des contraintes mécaniques énormes et mal gérées.

c) – Compenser
            C'est simple, c'est gratuit, ça ne tombe pas en panne et en plus, ça rend le safran plus efficace. C'est même adaptable en barre franche puisque la plupart des voiliers en sont équipé. Le principe est simple, une partie du plan du safran se trouve en avant de l'axe de pivotement. Ainsi les forces se contrarient pour s'annuler à la barre qui reste docile de façon tout à fait naturelle. De plus, le flux dévié est plus important. De combien doit-on compenser ? La formule est assez complexe pour la développer ici. Disons simplement que la partie avant ne doit jamais dépasser un quart de la partie arrière (voir croquis). Dans le cas contraire, le safran serait appelé à contre sens lors d'un virage et le bateau partirait tout seul au "lof" comme un voilier". J'ai vu le cas un fois sur un essai de bateau, n°1 de série, première mise à l'eau.

-----

la compensation d'un safran

       


Le profil de la section
            Une tôle plate, ça fonctionne, mais ce n'est pas loin de là la panacée. Un safran plat génère des vibrations une traînée importante et des rappel d'eau sur la surface. Pourtant, bien des constructeurs n'en tiennent aucun compte. La dureté de la barre absorbe les vibrations. Le confort du pilotage s'en trouve affecté ainsi que l'efficacité et personne ne pense à accuser la forme du safran. Le safran agit dans l'eau comme une coque. La forme idéale est la section de deux ailes d'avion collées plat contre plat (encore l'aéronautique... désolé). Le profil doit-être en goutte d'eau avec l'arrondi devant et le pointu vers l'arrière, comme le profilé d'un poisson vu dessus. Surtout jamais le pointu devant comme l'indique le principe empirique du "couteau dans le beurre", qu'on entend encore parfois.

La taille du safran
            Comme nous l'avons vu plus haut, sur un bateau à moteur, lorsqu'un safran agit en virage il dévie la poussée de l'hélice, ce qui augment son efficacité. Cela permet également de réduire la taille. Par contre, quand le moteur est au point mort et que de bateau à de l'erre (qu'il avance sur son élan) le safran agit comme celui d'un voilier. Il n'a plus de flux à dévier, il se contente de déformer la ligne anti-dérive. Il agit comme un filet de vis dans un écrou.


Dans la plupart des cas, les safrans de bateau à moteur, sont trop petit pour avoir une efficacité sur l'erre*. C'est dommage, car on perd alors un des principaux avantages de la ligne d'arbre sur l'embase, qui est de garder une direction active quand l'hélice ne tourne plus. Dans le cas d'un moteur hors-bord, c'est uniquement le sens de la poussée qui donne la direction. Si on arrête de pousser, il n'y a plus de direction malgré une erre parfois importante, avec les conséquences qu'on imagine lors des manœuvres. Sur le bateau à ligne d'arbre, si l'hélice arrête de tourner, le safran agit toujours… Enfin il devrait si sa taille est suffisante pour cette fonction annexe. Lors de nos essai un des principaux tests des bateaux fluviaux est la manœuvrabilité sur l'erre.

Etambot ou suspendu ?
            Le safran est un appendice qui encaisse parfois des forces terribles et le montage de certains fait frémir. Le montage le plus sérieux est sans aucun doute, le safran repris sur étambot dans sa partie basse. Par contre, les quille des bateaux fluviaux, quand elles existent sont souvent peu profondes. Dans ce cas cela limite les formes de safran préconisées plus haut.

(*erre : trajectoire sur l'élan quand quand il n'y a plus de poussée)

       

safran 003 safran 004
1) - Commençons par l'extrémité supérieure avec ce safran de voilier. Un bord d'attaque long, une compensation en avant de l'axe, une largeur qui ne permet pas à la résistance de s'amplifier. Ce n'est peut-être pas un hasard si la forme générale rappelle une nageoire de cétacé. Un appendice qui pour l'animal joue également le rôle de safran. 2) – Un dériveur lesté avec un safran qui se relève vers l'arrière quand la dérive centrale est relevée en eau peu profonde. Avec les différentes positions possible, le principe sur les rapports hauteur/largeur est très facile à démonter.

       

safran 005 safran 006
3) – Un autre dériveur lesté avec seulement une partie relevable. Ici on sent bien que le paramètre solidité et protection à l'échouage l'a emporté sur l'écoulement dans le fluide. 4) – Ce vieux safran à été dessiné sur des bases empiriques et hormis la petite compensation on ne trouve pas grand chose au crédit de cette "tôle".

       

safran 007 à suivre - to be continued
5) – Dans le concept du safran de ce voilier "fifty" (concept 50% voile, 50 % moteur) on sent bien la recherche déco un peu désuète dans le style du bateau. La forme est sympa, mais ce design empirique ne répond aucunement aux lois de l'écoulement dans les fluides. De belles sorties d'eau bien dessinées pour ce luxemotor. Par contre, le safran est l'exemple mème du mauvais safran qui s'incrit dans la logique des idées reçues. Pas de compensation et une longueur démesurée inutile et nuisible

Haut de page

That's all folk
Si vous n'avez pas interdit le JavaScript dans votre navigateur,
double clic n'importe-où remonte en haut de page