Navires et bateaux

Densité moyenne

Si l’idée de la poussée ascendante vous semble toujours un peu confuse, revenez simplement à la densité. Imaginez que le porte-avions soit une boîte métallique géante de même volume (comme une grosse boîte à chaussures), partiellement remplie de moteurs, d’avions, de marins et de tout le reste – de sorte qu’elle pèse tout autant. Cette boîte flotterait si elle pesait moins qu’une boîte de même taille remplie d’eau, sinon elle coulerait. Donc, en résumé, un porte-avions flotte parce qu’il pèse moins que le même volume d’eau – parce que sa densité moyenne est inférieure à celle de l’eau qui l’entoure.

Photo : La façon la plus simple de comprendre pourquoi les choses flottent est d’oublier Archimède et de penser plutôt à la densité. Un navire flotte parce que sa densité moyenne est relativement faible. Ce navire de transport militaire vide est en fait une boîte métallique vide géante. Divisez sa masse totale (sa propre masse plus celle de son contenu) par son volume et vous obtenez sa densité moyenne. Cette densité est inférieure à celle d’une boîte métallique solide ou d’une boîte métallique remplie d’eau, et c’est pourquoi le navire flotte. Photo de Gary Keen avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Pourquoi les bateaux ne chavirent-ils pas ?

Si vous êtes déjà monté sur une barque attachée à une jetée, vous aurez une idée de la grande instabilité des petits bateaux lorsque vous commencez à les charger. Lorsque vous vous tenez debout dans un bateau, vous faites effectivement partie de celui-ci, et vous modifiez son centre de gravité, ce qui le place instantanément beaucoup plus haut. Puisque vous entrez dans un bateau par le côté, dès que vous montez à bord, vous déplacez le centre de gravité vers l’endroit où vous vous tenez. Maintenant, le centre de gravité n’est plus au-dessus du centre du bateau, et cela fait tourner l’ensemble vers vous. Un bateau peut se balancer d’un côté à l’autre relativement librement ; comme il a une flottabilité positive, il suffit d’une petite force pour le faire bouger dans l’eau. Tous ces facteurs combinés font qu’un petit bateau peut facilement chavirer (se retourner sur le côté et souvent couler). En vous asseyant dans un petit bateau, vous abaissez le centre de gravité et le rendez plus stable.

Photo : Les petits bateaux peuvent être assez instables, même avec une quille. Le vent fort pourrait faire chavirer ce bateau, c’est pourquoi les membres de l’équipage sont tous assis le long du bord pour équilibrer la force de rotation avec leur propre poids. Photo de Chad Runge avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Les plus gros bateaux ne souffrent pas de ce problème.Premièrement, ils ont tendance à avoir de lourds moteurs en métal très bas sous le niveau de l’eau, ce qui leur donne un centre de gravité bas et les rend plus stables. Deuxièmement, ils ont une quille plus haute (une planche verticale qui court sous l’eau, de l’arrière vers l’avant, le long de la « colonne vertébrale » centrale sous le bateau. La quille aide à empêcher un bateau de rouler (se déplacer d’un côté à l’autre) ou de chavirer, car elle signifie qu’une plus grande force est nécessaire pour pousser le bateau latéralement dans l’eau ou le faire tourner. La quille joue également un rôle dans la direction et la propulsion du bateau, comme nous le verrons bientôt.

Comment les bateaux se déplacent-ils ?

La gravité est la force contre laquelle nous devons travailler lorsque nous marchons sur terre. Mais si vous êtes un nageur assidu, vous saurez que ce n’est pas vraiment un problème lorsque vous vous déplacez sur l’eau parce que votre corps est relativement flottant:même si votre corps est principalement composé d’eau, il n’est pas entièrement constitué d’eau (il pèse moins qu’un sac d’eau exactement de la même taille). La résistance de l’eau (traînée) est de loin la plus grande force contre laquelle les nageurs doivent lutter, et c’est également le cas des bateaux. Plus un bateau est lourd, plus il est bas dans l’eau et plus il crée de résistance à l’eau. C’est pourquoi les bateaux ont des étraves étroites et pointues (pour repousser l’eau hors de leur trajectoire) et des bords avant incurvés qui se rabattent (les soulèvent hors de l’eau lorsqu’ils avancent). Les hydroptères poussent cette idée à la limite en utilisant des ailes sous-marines pour soulever leur coque et la dégager de l’eau lorsqu’ils avancent.

Photo : Un hydroptère est un type de bateau qui utilise des ailes sous-marines pour générer de la portance lorsqu’il avance, élevant la coque au-dessus des vagues pour réduire la résistance de l’eau. Photo de Mark S. Kettenhofen avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Comme la plupart des autres objets, les bateaux se propulsent en exploitant les trois lois du mouvement de Newton : 1) Ils ne vont nulle part à moins qu’une force quelconque ne les pousse ou ne les tire ; 2) Lorsqu’il y a une force appropriée, elle les fait accélérer (se déplacer plus vite ou dans une nouvelle direction) et une force plus grande les accélérera davantage ; 3) Si un bateau veut aller en avant, il doit appliquer une force de poussée vers l’arrière – tout comme vous devez donner un coup de pied en arrière avec un skateboard pour vous élancer en bas du trottoir (ou pousser en arrière avec vos jambes pour marcher en avant).

La plupart des bateaux utilisent l’un des trois différents types de puissance : les rames ou les perches, les voiles et les moteurs.

Rames et perches

Photo : La puissance humaine reste un moyen fiable de faire avancer un bateau, mais à moins d’avoir un nombre égal de rames des deux côtés (ou de continuer à échanger les côtés), vous vous déplacerez d’un côté plus que de l’autre. Photo de Clay Weis avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

La plus ancienne forme de propulsion de bateau est la simple force humaine. Vous pouvez ramer en tirant l’eau vers l’arrière à l’aide de grandes pagaies ou vous pouvez faire avancer un objet comme un radeau en poussant contre une rivière ou un fond marin. La force des rames a atteint son apogée avec les étonnantes galères développées aux époques grecque et romaine. Les birèmes (datant peut-être du deuxième millénaire avant notre ère) avaient deux plates-formes remplies de rameurs, tandis que les trirèmes (inventées quelques centaines d’années avant notre ère) en avaient trois, les quadrirèmes quatre et les quinquirèmes cinq (bien qu’il ne soit pas certain que des bateaux avec autant de personnes entassées, à une telle hauteur, auraient été stables ou efficaces). Quoi qu’il en soit, ils ont rapidement cédé la place à la voile.

Voiles

Si vous étendez des draps pour les faire sécher par grand vent, vous savez exactement comment fonctionnent les bateaux à voile ! Mais les bateaux ne veulent pas toujours partir avec le vent qui souffle directement derrière eux.En pratique, cela signifie que les voiles doivent être positionnées à un angle, mais le vent va alors essayer de souffler le bateau à cet angle au lieu de la direction dans laquelle vous voulez aller. La force du vent vous pousse dans une direction, vous avez donc besoin d’autres forces, dans d’autres directions, pour la corriger et produire une force résultante (combinée) dans la direction que vous souhaitez réellement suivre. Deux autres forces vous aident. La première est la force exercée par la quille. Si le vent souffle le bateau partiellement sur le côté, la quille pousse contre l’eau et aide à faire avancer le bateau. Vous pouvez également orienter le gouvernail à l’arrière du bateau de manière à ce que, lorsque l’eau le frappe, il soit projeté à un angle, dirigeant le bateau d’un côté ou de l’autre. (Les gouvernails étaient autrefois positionnés à droite du bateau et appelés steerboards, c’est pourquoi le côté droit d’un bateau, tourné vers l’avant, est encore appelé tribord à ce jour ; le côté gauche est appelé bâbord.)

Photo : Les yachts ont plusieurs voiles pour pouvoir attraper le vent de n’importe quelle direction. Photo d’Eric Brown avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Si vous voulez naviguer face au vent, vous devez utiliser une voile atriangulaire ou une voile latine accrochée à l’avant de votre bateau en formant un angle avec le vent entrant. Lorsque le vent frappe la voile, il souffle autour d’elle et accélère ; la voile agit de la même manière qu’un profil aérodynamique (la surface incurvée d’une aile d’avion), en projetant de l’air autour et derrière elle et en poussant le bateau vers l’avant (tout comme l’air descendant d’une aile propulse un avion vers le haut).

Moteurs

Les marins d’autrefois étaient perdus sans vent, mais ce n’est plus un problème que nous avons maintenant, grâce aux moteurs, qui peuvent être utilisés pour actionner les hélices. Les premiers bateaux à moteur utilisaient des moteurs à vapeur à haute pression alimentés au charbon ; les moteurs modernes fonctionnent invariablement au diesel. Le seul véritable problème que pose l’utilisation de moteurs à combustion interne pour propulser des bateaux est qu’ils ont besoin d’un apport constant d’oxygène pour brûler le carburant ; cela signifie que vous ne pouvez pas les utiliser pour propulser des sous-marins sous l’eau. Il existe toutefois une solution de rechange : un moteur diesel installé près de la surface peut actionner un générateur et charger des batteries, qui sont ensuite utilisées pour actionner un moteur électrique et l’hélice lorsque le sous-marin est sous l’eau. (L’énergie nucléaire est une autre option et signifie qu’un sous-marin peut rester sous l’eau pendant des semaines ou des mois.)

Tous les bateaux à moteur n’utilisent pas d’hélices.Les Jet Skis® et les jetfoils (grandes versions hydrofoil des jetskis) utilisent des moteurs pour faire fonctionner des impulseurs (pompes à eau) qui créent un puissant jet d’eau pointant vers l’arrière. La force de l’eau qui retourne dans l’eau fait avancer le bateau, un peu comme les gaz d’échappement chauds d’un moteur à réaction.

De quels matériaux les bateaux sont-ils faits ?

À peu près tous les matériaux auxquels vous pouvez penser ont été utilisés pour fabriquer des bateaux à un moment ou à un autre. Les premiers bateaux étaient fabriqués à partir de peaux d’animaux, d’écorces et de bois ; plus tard, des pirogues ont été fabriquées en récupérant le bois d’un tronc d’arbre soigneusement choisi. Dans les temps anciens, les constructeurs de bateaux ont perfectionné l’art de construire des bateaux à partir de planches séparées, soit en fixant les bords d’une planche aux bords de celles qui l’entourent comme des briques dans un mur (ce qui est connu sous le nom de construction en carène), soit, mieux encore, en superposant les planches du bas vers le haut (une technique connue sous le nom de construction en clinker), ce qui permet d’obtenir un bateau plus solide, plus léger et plus rapide. La révolution industrielle a apporté une autre grande innovation : l’ère des puissants navires en fer et en acier. Aujourd’hui encore, la plupart des navires modernes sont construits en acier, mais celui-ci est relativement lourd. C’est pourquoi certains grands bateaux sont maintenant fabriqués à partir de métaux solides et légers comme l’aluminium, tandis que les plus petits sont souvent fabriqués à partir de composites légers comme la fibre de verre ou des plastiques super résistants comme le Kevlar®.

Artwork : Les bateaux construits en clinker (à gauche) ont des planches qui se chevauchent, ce qui donne une coque beaucoup plus solide ; les bateaux construits en caravelle (à droite) ont les planches jointes bout à bout pour former une surface extérieure lisse.

Une brève histoire des navires et des bateaux

Les liens dans cette chronologie vous mèneront généralement à des informations supplémentaires dans Wikipedia et d’autres sites.

Préhistoire et temps anciens

• ~10 000BCE : Les premiers bateaux comprennent des radeaux, des bateaux en peau, en cuir et en écorce, des kayaks et des pirogues.
• ~5000BCE-3000BCE : Les marins mésopotamiens inventent les voiles.
• ~3000BCE : Les anciens Égyptiens fabriquent les premiers bateaux à partir de planches de bois.
• ~2500BCE : Les Minoens et lesMycéniens deviennent les premiers grands navigateurs océaniques, explorant la mer Méditerranée.
• ~1500BCE-27BCE : Les Grecs construisent des navires de guerre géants, notamment des birèmes et des trirèmes.
• 27BCE-400CE : Les Romains construisent des galères, les anciens ancêtres des navires de guerre modernes, avec des innovations dont un pont levant.
• ~300BCE : Archimède (287-212BCE) découvre la science de la flottaison.
• 200CE : Les voiles latines sont largement utilisées en Méditerranée (bien que l’on pense qu’elles aient été inventées un peu plus tôt dans le monde arabe).

Moyen-âge

• 300 : Les Vikings inventent la construction en clinker.
• 1200 : Le gouvernail central commence à remplacer la « planche à gouverner ».
• 1400-1600 : La plupart des grands navires sont construits en bois et propulsés par des voiles, et comprennent les cogs, les carracks, les galères et les galions.
• 1620 : Cornelis Drebble construit le premier sous-marin en bois.
• 15e siècle : Les grands voyages de Christophe Colomb (1451-1506),Vasco de Gama (1460-1524),Ferdinand Magellan (1480-1521) et d’autres pionniers de l’exploration des océans et de la circumnavigation.

Le grand âge de la navigation

Photo : L’USS Constitution, surnommé « Old Ironsides », est une frégate (navire de guerre) classique à trois mâts datant de 1797.Retirée depuis longtemps du service militaire, elle est maintenant un musée fascinant à Boston. Photo de Kathryn E. Macdonald avec l’aimable autorisation de la marine américaine.

• 1777 : Le premier bateau à coque en fer est construit (en Angleterre).
• 1783 : Le marquis d’Abbans (1751-1832) construit le premier bateau à vapeur.
• 19e siècle : Des services réguliers de « packet shipping » sont établis, naviguant selon des horaires. Les clippers rapides établissent des records de navigation.
• 1807 : Robert Fulton (1765-1815) établit un record pour voyager de New York à Albany avec un bateau à vapeur appeléClermont.
• 1819 : Le bateau à vapeur SS Savannah traverse l’Atlantique en un temps record de 29 jours.
• 1836 : Les hélices modernes sont inventées(indépendamment) par Francis Pettit Smith (1808-1874) et John Ericsson(1803-1889).
• 1837 : Le Great Western, un navire à vapeur géant appelé construit par Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) devient le premier bateau en fer à traverser l’Atlantique.
• 1850s : Le constructeur naval anglais John Jordan fabrique probablement le premier navire composite en ajoutant un revêtement en planches de bois sur une armature en fer.
• 1870-1898 : John Holland conçoit et construit le premier sous-marin pratique à moteur, mais peine à convaincre la marine américaine de son potentiel.
• 1877 : L’inventeur anglais John Thornycroft fait breveter une première forme d’aéroglisseur basée sur un nénuphar flottant.
• 1884 : Sir Charles Parsons invente un moteur à vapeur très efficace appelé turbine à vapeur. En 1897, il développe une vedette à moteur alimentée par une turbine à vapeur appelée Turbinia.
• 1886 : Le pionnier allemand de l’automobile Gottlieb Daimler utilise un moteur à essence pour propulser un bateau.
• 1886 : Le Gluckauf, l’un des premiers pétroliers de haute mer, est construit et lancé en Grande-Bretagne.
• 1880 : L’officier de marine suédois à la retraite Charles G. Lundborg invente les bateaux SWATH (smallwaterplane area twin hull) qui évoluent au-dessus des vagues sur deux coques immergées.

Navires modernes

• ~Années 1900 : Les personnes fortunées profitent de l’ère romantique et luxueuse des voyages en mer à bord de paquebots tels que leMauretania, le Lusitania et l’Aquitania.
• 1906 : Enrico Forlanini invente l’hydroptère, le pionnier du téléphone Alexander Graham Bell joue également un rôle dans son développement.
• 1912 : Un paquebot de luxe « pratiquement insubmersible » appelé Titanic s’assure une place dans l’histoire comme la plus célèbre catastrophe océanique de tous les temps lorsqu’il heurte un iceberg et coule, tuant plus de 1500 personnes.
• Années 30 : Les Allemands développent le tuba, un tube respiratoire qui permet aux moteurs diesel des sous-marins de fonctionner sous l’eau, réduisant ainsi le risque de détection.
• 1943 : Les moteurs à turbine à gaz marins sont utilisés pour la première fois.
• 1955 : La marine américaine lance le premier sous-marin à propulsion nucléaire, l’USS Nautilus.
• 1956 : L’Ideal X, le premier porte-conteneurs, est lancé depuis Newark, NJ.
• 1959 : L’aéroglisseur de Christopher Cockerell effectue son voyage inaugural.
• 1960 : Jacques Piccard et le lieutenant Don Walsh de la marine américaine plongent à environ 11 km dans la partie la plus profonde desocéans, la fosse des Mariannes, à bord du Trieste, un navire de plongée super-renforcé (bathyscaphe).
• 1962 : Le navire FLIP de l’institution Scripps est utilisé pour la première fois pour étudier le mouvement des vagues océaniques.
• 1964 : Un submersible scientifique de grande profondeur appeléAlvin est développé par la Woods Hole Oceanographic Institution dans leMassachusetts et commence à explorer l’océan à des profondeurs de près de 5km(3 miles).
• 1978 : Le navire d’exploration scientifique JOIDESResolution est lancé, permettant aux scientifiques d’explorer les fonds marins de manière plus détaillée que jamais auparavant.
• 1992 : La marine américaine met au rebut le dernier de ses cuirassés géants, l’USS Missouri.
• 1993 : L’US Navy lance un bateau furtif expérimental, invisible au radar, appelé le Sea Shadow, basé sur une conception SWATH. En 2011, la marine annonce son intention de mettre le navire au rebut.
• 2012 : Le MS Tûranor PlanetSolar, de construction allemande, devient le premier véhicule alimenté par des cellules solaires photovoltaïques à faire le tour du monde.
• 2014 : Le Norled MF Ampere,le premier ferry pour voitures et passagers entièrement électrique et alimenté par batterie au monde, commence à fonctionner en Norvège,et permet d’économiser un million de litres de diesel par an.

.