Bateau - Définition

Fonctionnement

Hydrostatique

Catamaran « Tornado » à la gîte : la stabilité est assurée par l'écartement entre les coques.

La sustentation d'un bateau peut être assurée de différentes façons :

• pour un bateau « archimédien » ou « à déplacement », le poids de la coque est compensé par la poussée d'Archimède correspondant au poids du volume d'eau déplacé (d'où le terme de déplacement). C'est le cas de tous les gros navires et de la majorité des bateaux « classiques ».
• pour un bateau à coque « planante », de type hydroptère, la sustentation est hydrodynamique : le bateau flotte à l'arrêt mais la coque se soulève à pleine vitesse grâce à l'action de l'eau sur les surfaces portantes, réduisant d'autant la résistance de l'eau.
• pour les navires à effet de surface et les aéroglisseurs, la sustentation est assurée de façon aérostatique soit par un coussin d'air, soit par la création d'une poche d'air par effet de surface.

Le bateau est en équilibre d'une part lorsque les forces sont d'égale grandeur, donc quand l'immersion est suffisante pour que la poussée d'Archimède compense le poids ; d'autre part lorsque les moments sont équilibrés. Le bateau prend ainsi une position d'équilibre. Si les poids sont également répartis, le bateau flotte avec une inclinaison nulle, mais l'action des vagues, du vent et le déplacement des poids (déplacement de l'équipage, du lest, de la cargaison) entraîne une inclinaison par rapport à l'axe longitudinal (gîte) ou transversal (assiette). Si la gîte est prévue sur les voiliers en raison de l'action du vent, elle est évitée autant que possible sur les bateaux à moteur : elle est source d'inconfort et de risques puisqu'une gîte excessive peut mener au chavirage.

L'équilibre et la stabilité d'un bateau sont donc étudiés d'une part de façon statique (répartition des poids) et dynamique (action des vagues et du vent). Les moyens pour compenser une gîte excessive sont le déplacement de l'équipage sur les petits voiliers, le réglage des voiles selon l'allure, un lest fixe (placé en bas de la quille) ou orientable, ou des ballasts pouvant être remplis d'eau. L'assiette est compensée de la même façon.

Hydrodynamique

Système de vagues généré par le bateau de pêche Doña Delfina aux formes assez pleines.

L'avancée d'un bateau est contrariée par la résistance de l'eau. Cette résistance peut être décomposée en plusieurs composants dont les principaux sont la friction de l'eau sur la coque et la création de vagues. Pour réduire la résistance et donc accroître la vitesse pour une puissance donnée, il faut réduire la surface immergée et utiliser des formes de coque produisant des vagues d'amplitude moindre. Pour cela, les bateaux rapides sont souvent plus fins, avec des appendices de taille plus réduite ; la friction de l'eau est aussi réduite par un entretien régulier de la coque sur laquelle se déposent des animaux et des algues, en l'enduisant d'un antifouling. La résistance de vague peut être réduite par l'ajout d'un bulbe d'étrave et par des formes régulières et fines.

Cependant, la résistance à l'avancement grandit très vite pour un navire à déplacement lorsque le nombre de Froude atteint 0,4 ; pour dépasser cette vitesse, il faut soit alléger et affiner la coque soit utiliser une portance dynamique additionnelle permettant à la coque de « déjauger » et de réduire la résistance :

• coques « planantes ». C'est le cas de dériveurs de course comme les 49ers, des "hors-bords", des vedettes et de certains navires à passagers rapides,
• catamarans à ailes immergées (foils), hydroptères,
• portance aérostatique (coussin d'air).

Voir Navire à grande vitesse. Pour les grands projets, disposant d'un financement adéquat, la résistance hydrodynamique peut être testée dans un bassin d'essais des carènes ou en utilisant la simulation numérique.

Mouvements d'un bateau selon les trois axes : 1- pilonnement, 2- embardée, 3- cavalement, 4- lacet, 5- tangage, 6- roulis.

Le bateau subit également des mouvements dus à son déplacement dans l'eau : ces mouvements peuvent être éprouvants pour les passagers et pour le matériel et doivent être maîtrisés si possible. Le roulis peut être limité par une quille de roulis, par des ailerons stabilisateurs ou par un système de poids ; le tangage est plus difficile à limiter et peut devenir dangereux si l'avant du bateau tape dans les vagues, phénomène appelé tossage. C'est en général au stade de la conception que la forme de coque est optimisée pour cela ; lors de la navigation, c'est le centrage des poids, le matossage, et le changement de route (ou d'allure) qui permet de limiter les mouvements.

Structure

Reconstruction de la frégate Hermione à Rochefort, en bois massif.

La structure absorbe la répartition des masses, le choc des vagues, les efforts dus à l'avancée dans l'eau et à la pression du vent, et les diverses contraintes de la navigation ou du port. La structure est constituée de deux parties : la charpente primaire ou principale qui soutient la structure, et la charpente secondaire plus dense qui est associée au bordé pour le raidir. Cette distinction est claire pour la construction en bois massif ou en métal, mais disparaît sur les constructions à clin ou en sandwich, où la structure est intégrée au bordé. La charpente est complétée par un système de raidisseurs transversaux (des raidisseurs sont ajoutés transversalement, comme les membrures et les barrots) ou longitudinaux (raidisseurs longitudinaux comme les lisses). Des renforts sont ajoutés aux endroits subissant de fortes contraintes : carlingue, base du moteur, support de l'arbre d'hélice, épontilles, pied de mât et cadènes, etc.

La structure a aussi le rôle d'absorber le bruit et les vibrations qui sont une source d'inconfort et de risque pour la structure elle-même. La structure intègre également des cloisons étanches afin de subdiviser le bateau en zones étanches permettant de garder une stabilité suffisante après avarie (par exemple, le bateau doit pouvoir rester à flot si un compartiment ou deux sont envahis), ainsi que des cloisons anti-feu pour retarder la progression d'un incendie.