Triangle des vitesses

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Le schéma est extrait d’un document dénommé Calcul mental : triangle des vitesses, librement disponible sur le site de l’ACAT. L’angle entre la route et le cap est appelé dérive, noté X. X est l’abréviation du mot cross, crosswind voulant dire vent de travers. L’angle entre la route et le vent, noté θ, est appelé angle au vent. La vitesse du vent est notée V_v sur le schéma. Je préfère dans la suite la noter W, W comme wind.
Lors de la préparation d’un vol, j’ai une prévision de vent et j’ai calculé ma vitesse propre (V_p), et j’aimerais connaître, pour préparer ma navigation, la vitesse sol (V_s) et la dérive. Une fois en vol, je pourrai évaluer la dérive et la vitesse sol à l’aide du compas, d’un chronomètre et de repères au sol, ou plus simplement en m’aidant du GPS, et j’aimerais pouvoir en déduire la force et la direction du vent.
Posons les équations reliant toute ces valeurs.
(1)
(2)
Arrêtons nous un instant sur ces formules pour examiner les conventions que nous avons adoptées. Si l’angle au vent est nul, (2) nous dit que a dérive est nulle, et (1) qu’il faut retrancher le vent de la vitesse propre pour trouver la vitesse sol. Nous adopterons la convention que le vent est toujours positif, qu’un angle au vent inférieur à 90° veut dire qu’on subit une composante de face, et qu’un angle au vent supérieur à 90° veut dire qu’on bénéficie une composante favorable. Le signe de l’angle au vent correspond à un vent de droite ou de gauche, nous considérerons que le signe est toujours positif, et que le vent vient de gauche.
Intéressons nous en premier à la dérive
On déduit de (1) et (2)
(3).
Si nous désignons par W_x = W sinθ la composante du vent perpendiculaire à la route, nous obtenons
(4).
Nous avons déjà évoqué la formule , avec α exprimé en degrés, qui peut s’écrire aussi , l’angle étant là aussi exprimé en degrés, qui consiste à approcher le sinus par sa corde à 30°. Cette formule approchée donne des valeurs exactes pour les angles 0° et 30°, est très précise entre 0° et 30°, et l’erreur devient significative pour des angles dont le sinus dépasse significativement ½. Si on approche le sinus par cette formule la formule (4) devient
(5).
En France et, à ma connaissance, nulle part ailleurs, on définit le facteur de base F_b comme le nombre de minutes qu’il faut pour parcourir un NM. Selon le contexte, il s’agit de parcourir un NM air ou un NM sol. Ici il s’agit d’un NM air. Si la vitesse est exprimée en kt, on donc . (5) peut donc s’écrire
(6) X≃F_b.W.sinθ = F_b.W_x
Cette formule est très précise tant que W_x ne dépasse pas la moitié de la vitesse propre. L’erreur est inférieure à 2½° si W_x=0.7 V_p, dépasse 5° si W_x=0.8 V_p, dépasse 10° si W_x=0.9 V_p, et atteint 30° si W_x=V_p, c’est à dire si le vent est plein travers et égale la vitesse propre. Dans ce cas extrême, la dérive est de 90°, alors que la formule approchée donne une dérive de 60°.
Dans la suite, nous considérerons que W_x est toujours suffisament petit pour que (6) puisse s’appliquer.
(3) nous permet sans surprise de déterminer que la dérive maximum, notée X_m, est obtenue lorsque l’angle au vent est de 90°:, d’où on tire
(7)X_m≃Fb.W, et de (6) et (7) on obtient enfin
(8)X≃X_m sinθ, formule donnée par tous les manuels, qui est donc utilisable tant que W_x=W sinθ ne dépasse pas significativement la moitié de la vitesse propre. Je vous conseille maintenant la lecture des documents accessibles par le lien donné en début d’article, qui vous donneront de précieux conseils pratiques sur l’utilisation de cette formule.

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De (1) et (2) on peut tirer
(9), qui donne la vitesse sol en fonction de la force et direction du vent, et de la vitesse propre. Les manuels appellent vent effectif, que je noterai W_e=W.cosθ, la composante longitudinale du vent. On peut ainsi écrire (9) en fonction du vent effectif W_e
(10)
Le schéma ci-dessus, tiré du document cité en tête de cet article, rend plus parlante la formule alternative
(11)V_s=V_p.cosX-W.cosθ=V_p.cosX-W_e,
qu’on peut aussi écrire
, ou encore
(12).
Les manuels proposent la formule
(13)V_s≃V_p-W.cosθ=V_p-W_e, en considérant implicitement que la dérive est toujours suffisamment petite pour qu’on puisse en négliger le cosinus.
Prenons un exemple typique de voyage à 100kt de vitesse propre avec un vent de 20kt. Si le vent est plein travers, les manuels (13) nous disent que la vitesse sol sera égale à la vitesse propre. Avec du vent de travers, vous devrez mettre le nez dans le vent, et donc votre vitesse sol sera inférieure à votre vitesse propre: vous n’avez pas besoin de faire de trigonométrie pour vous convaincre alors que la formule (13) n’est pas exacte, en en faisant, vous saurez de combien: (5) nous donne une dérive de X≃F_b.W.sinθ = 0.6×20=12°, la différence entre (11) et (13) permet de calculer que l’écart entre l’approximation et la réalité est de 1-cos(12°)≃2% , l’approximation est dans ce cas justifiée. Si le vent est de 50kt, (5) nous donne une dérive de X≃F_b.W.sinθ = 0.6×50=30°, la vitesse propre sera de 100kt x cos(30°)=87kt. Dans ce cas, pour obtenir la vitesse sol, il faut diminuer de 13% la vitesse donnée par l’approximation de la formule (13). Dans le tableau ci-dessous, on trouvera pour différente valeurs de la dérive et du rapport la proportion, en %, dont il faut diminuer le résultat de la formule (13) pour obtenir une valeur exacte.

	20%	30%	40%	50%	60%	70%
Dérive 10°	-2%	-2%	-2%	-3%	-4%	-5%
Dérive 15°	–	-4%	-5%	-6%	-7%	-10%
Dérive 20°	–	–	-8%	-9%	-12%	-15%
Dérive 25°	–	–	–	-13%	-16%	-21%
Dérive 30°	–	–	–	-13%	-20%	-26%
Dérive 35°	–	–	–	–	-22%	-30%

Par exemple, si le vent est de 30kt et ma vitesse propre de 100kt, si je subis une dérive de 15°, je dois minorer le résultat de la formule (13) de 4% pour trouver la valeur juste.
D’un point de vue pratique, tout le monde utilise la formule (13), mais il faut avoir en tête qu’une forte dérive conduit à surestimer la vitesse propre si on utilise la formule (13), et donc arrondir la vitesse trouvée vers le bas va dans le sens de la sécurité.