Qualités d'un mât
Rappel : Efforts de compression
La somme des compressions en pied de mât est obtenue en ajoutant les charges dues à la tension du gréement transversal et longitudinal à la masse propre du mât.
Résistance à la compression
La première qualité d'un mât est la résistance aux forces de compression, ou au flambage.
Celle-ci est répartie sur la section du mât et la résistance du mât sera donc proportionnelle à cette surface de section alors qu'elle diminue avec le carré de la longueur du mât.
Afin de limiter ces efforts, il peut donc être intéressant de fractionner le haubanage ce qui permet de limiter les portions de mâts (on parle de longueur de panneaux) sujettes à la compression.
Résistance à la flexion
La deuxième qualité recherchée est la rigidité ou la résistance aux forces de flexion. En effet, il convient dans la plupart des cas, de garder le mât aussi droit que possible, bien que l'on peut mentionner le cas de certains navires de compétition qui utilisent la déformation du mât afin de contrôler celle du profil.
Il existe plusieurs moyens d'agir sur la rigidité d'un mât :
En jouant sur le matériau qui le constitue
En modifiant la forme du profil et donc le moment d'inertie par rapport à un axe donné
En l'encastrant dans le pont
En ajustant la position et le nombre de points de capelages
Rappel : Nombre de Reynolds critique
Lorsque le nombre de Reynolds d'un écoulement dépasse une certaine valeur dite critique, comprise entre 300000 et 500000, le coefficient de traînée chute brutalement.
On voit ici que le nombre de Reynolds critique se situe aux alentours de 500 000. A partir de cette valeur, le coefficient de résistance diminue brutalement.
Mât= traînée importante
Pour un mât de dimension classique, cela correspond à des vents supérieurs à ceux de l'échelle Beaufort.
On voit donc qu’un tel mât n'a normalement aucune chance de se trouver en régime turbulent avec un coefficient de traînée faible.
Il s'ensuivra qu'on aura toujours en arrière du mât une zone de tourbillon importante dont l'effet s'étendra à toute la partie antérieure du profil. Cet effet sera d'autant plus néfaste que les mâts n'étant généralement pas tournants, la zone de turbulence s'étendra beaucoup plus sur l'extrados que sur l'intrados de la voile, c'est-à-dire sur la surface la plus utile.
Aptitude aérodynamique
Afin d'améliorer cette situation, 3 domaines d'investigation sont possibles :
La réduction du nombre de Reynolds critique
Une meilleure position du mât par rapport à la voile
La réduction et la modification de la forme de la section du mât
Réduction du nombre de Reynolds critique
Cela peut se faire en provoquant la mise en turbulence précoce de la couche limite avec des stimulateurs de turbulences placés sur le profil. Cependant il s'agit là d'un procédé délicat à maîtriser compte tenu de l'irrégularité du vent et des mouvements du bateau.
Position du mât par rapport à la voile
En donnant à la rotation du mât un angle très supérieur à celui de la bôme, le mât peut devenir un véritable dispositif hypersustentateur de bord d'attaque, et reculer ainsi l’angle de décrochage.
D'autres dispositifs répondant au principe du volet de bord d'attaque se trouve réalisés lorsque l'on utilise, en avant du profil considéré, d’autres profils.
Modification de la forme de la section du mât
La forme de la section est certainement l'élément sur lequel se sont portés le maximum d'études et de réflexions.
Un corps fuselé offre une traînée moindre qu'un simple corps cylindrique. Ainsi le coefficient de traînée d'une section elliptique est 9 à 10 fois plus faible que celui d'une section circulaire offrant la même surface frontale.
Dans la plupart des cas l'influence des mâts sera de plus en plus néfaste au fur et à mesure que l'on s'élèvera vers la tête. Il est donc nécessaire d'utiliser au maximum les possibilités de réduction de la section dont on peut disposer ce qui se répercutera non seulement sur le plan aérodynamique mais en plus sur l'abaissement du poids et du centre de gravité de l’espar.
Attention : Aérodynamique vs résistance mécanique
Il ne faut jamais oublier que le dessin de la section doit répondre non seulement à des impératifs aérodynamiques mais aussi mécaniques, les deux n'étant pas toujours compatibles.
Une section de mât devra être très soigneusement étudiée et calculée pour maintenir une largeur aussi faible que possible tout en ayant la résistance mécanique nécessaire.
La légèreté
En plaçant un poids, même relativement faible comparé au reste du gréement et du navire, à une hauteur importante, les effets sur la stabilité du navire peuvent s'avérer importants.
Il convient donc de réduire autant que possible la masse du mât dans les hauts en utilisant des matériaux épais et fins, avec des masses volumiques faibles.
Une solution complémentaire peut être de réduire le diamètre du mât à son extrémité, celle-ci étant moins sollicitée que les sections sous-jacentes.