L'aérodynamique

À quoi sert le développement aérodynamique ? :

Il y a deux raisons principales très importantes d'un bon développement de l'aérodynamique d'une monoplace:
-la première est de plaquer les voitures à la route. C’est grâce aux ailerons arrière et avant principalement que les appuis sont générés. Ces appuis permettent de gagner beaucoup d'adhérence en virage en augmentant la charge verticale. En contrepartie ces ailerons génèrent une force de traînée plus ou moins importante qui fait baisser les accélérations et la vitesse de pointe en ligne droite. L’aileron fonctionne un peu comme une aile d'avion inversé.

Tout d'abord l'air crée une dépression qui attire l'aileron vers le bas , de plus cet aileron peut aussi être "braqué" pour présenter une face oblique à l'air qui crée un appui supplémentaire. Ce braquage peut toutefois créé de grosse turbulences il faut donc choisir un compromis. Pour diminuer les turbulences de la monoplace , tous les appendices sont étudiés pour que la voiture "glisse" dans l'air. Mais la tâche n'est pas facile , les ingénieurs doivent respecter un règlement très scrict qui conditionne la taille maximale des ailerons avant et arrière par exemple. Cette étude est réalisée avec l'aide de super calculateurs et de souffleries hypermodernes.

Comment choisir l’angle de braquage d'un aileron ? :

L’effet positif d'un important braquage de l'aileron avant et arrière est de permettre un franchissement de virage amélioré en augmentant la déportance. Cet appui augmente en fonction du carré de la vitesse, soit environ 150kg à 100km\h, 600 kg à 200km\h et plus de 1,5 tonnes à 300km\h. A de telles allures l'appui est tellement important que la voiture pourrait rouler à l'envers (sur une piste inversée la tête en bas). Seulement il y a un gros inconvénient à trop braquer ces ailerons. Le Cx (coefficient de pénétration dans l'air) se dégrade: la voiture crée énormément de turbulences , résiste à l'air et finalement perd beaucoup de vitesse dans les lignes droites.

Il faut donc trouver un compromis entre traînée qui retient la voiture et déportance qui augmente l'adhérence des pneus. En théorie le meilleur compromis est celui qui permet de réaliser le meilleur temps au tour. En pratique en revanche les pilotes préfèrent privilégier la vitesse en ligne droite pour pouvoir doubler plus facilement (ou ne pas être doubler). Nous allons voir en détail les différents appendices aérodynamiques.

L’aileron avant :

L'aileron avant est situé le plus bas possible et écarté du nez pour laisser l'air passer sous la voiture pour la coller à la piste. Sa hauteur minimale pas rapport au sol ainsi que sa longueur maximale est déterminée pas le règlement. Il est constitué de 4 grandes parties.
- 1) La première partie est constituée des deux plus grandes lames donnant beaucoup d'appuis.

- 2) La dernière petite lame permet de dévier l'air vers les radiateurs sur les côtés.

- 3) La troisième partie verticale permet de canaliser l'air (le même rôle que les côtés de l'aileron arrière) et contient des petites excroissances qui renforcent l’appui aérodynamique.

- 4) Enfin la dernière partir sert à optimiser l'espace entre l'aileron et le nez de la monoplace. Par exemple sur la nouvelle MP4-21 le nez a une forme très complexe et produit de chaque côté entre les dérives un vrai effet de venturi. On voit bien sur ce schéma l'évolution de l'aileron avant des Mclaren qui est remarquable.

L’aileron arrière :

L’aileron arrière est l'appendice aérodynamique qui produit le maximum d'appui mais aussi celui qui freine le plus la voiture en créant pas mal de traînées. Le but étant donc de réduire ces turbulences sans pour autant réduire les appuis procurés pas les dérives. Cet aileron arrière est composé de 3 éléments :
1- Les dérivés qui constituent la partie principale et produisent un énorme appui mais aussi beaucoup de turbulences.

2-Une partie basse qui guide l'air vers les dérives et produit de l’appui.

3- Dernier élément important :les côtes qui permettent de garder le tout ensemble mais aussi d'empêcher l'air de s'échapper pas les côtés. Ces côtes sont de plus en plus travaillées avec l'apparition d'entailles profondes. Ces ouïes horizontales ont été utilisées par Toyota pour la première fois avant d'être reprises par pas mal d'équipes. En 2008 l'aileron arrière sera remplacé par deux petits ailerons situés derrière les roues qui créeront moins de turbulence pour les voitures qui suit.

Les déflecteurs :

Le déflecteur est une pièce très importante située de chaque côté de la voiture, juste devant les radiateurs. Ils permettent de diriger l'air vers les radiateurs et autour de la voiture.

En améliorant l'aérodynamisme ils permettent l'augmentation de la vitesse mais peuvent réduire le volume d'air vers les radiateurs gênant le refroidissement du moteur. Ils sont généralement précédés pas les "barge boards" (genre de petits déflecteurs) qui servent à rediriger l'air vers l'extérieur et réduire ainsi la pression sur le bas du déflecteur principal. Des petites dérives peuvent apparaître sur les déflecteurs qui servent à "calmer" le flux d'air ou à procurer de légers appuis.

Le diffuseur :

C'est un autre élément très important qui procure énormément d'appuis. Il se trouve à l'arrière de la monoplace très près de la piste. Il crée un effet de sol lorsque l'air passant sous la voiture est canalisé et ressort par le diffuseur. Sa forme très étudiée composée de nombreux canaux permet de contrôler le flux d'air afin de maximiser l'effet de sol.

Les Winglets :

Les Winglets deviennent de plus en plus importants, ils sont de petits appendices qui précédent les roues arrières. Ils ont de nombreux avantages , leur rôle principal étant de refroidir les pneus arrière leur rôle auxiliaire étant d'offrir une résistance à l'air la plus petite possible et enfin de produire le maximum d'appui possible.

Les Ailettes ou "Fins" :

Ce sont de tous petits appendices qui sont aux niveaux des roues avant et fournissent un très léger appui. Ils sont toujours fixes car coulés avec le museau. Ces Ailettes ne sont pas utilisées par beaucoup d'écuries. Bmw, Ferrari, Mclaren, Renault n'en utilise pas ou plus par contre Toyota et Midland en utilisent.

Ailettes d'arceau de sécurité :

Ces ailettes ont une double fonction. La plus logique est celle de procurer un peu d’appui. Mais leurs profils ne donnent en réalité que très peu de portance elles servent en fait à orienter l’écoulement de l’air qui arrive de l’avant de la voiture. Cet écoulement est ainsi « calmer » et le travail de l’aileron arrière est plus efficace.

Aile en T:

Ces petites ailes apportent un peu d’appui. Elle sert aussi à diriger l’air autour du capot moteur et des pontons et l’air passe ainsi « proprement » entre l’espace se trouvant entre le pneu arrière, le capot et l’aileron arrière. Le règlement laisse une zone libre à cet endroit c’est pour ça que l’aile en T existe. En ce qui concerne la forme on remarque que l’aile est plus incurvée sur l’extérieur et beaucoup moins plus on se rapproche du centre. Cela permet de ne pas trop perturber le flux d’air qui aborde l’aileron arrière.

Les pontons :

Les pontons sont les ouvertures qui se situent après les déflecteurs qui servent à refroidir le moteur. Plus ils sont gros plus le moteur demande de l'air pour être refroidi. C’est pourquoi en 2006 les pontons seront plus petits car le moteur demandera moins d'air pour être refroidi (un v8 chauffe moins qu'un v10). L’air qui s'engouffre dans les pontons refroidit les radiateurs qui refroidissent à leur tour le moteur.

Le fond plat:

Le fond plat est un élément qui produit de l’appui comme le font les ailerons. Le principe est différent mais le résultat est le même : la voiture peut avoir une vitesse élevée dans les virages. Sa forme permet à l'air de sortir plus vite qu'il n'y est entré créant une dépression phénoménale pour la voiture.C’est l'effet de sol.

Mais depuis 1994, une planche en bois a été imposée pour le fond plat pour surélever la voiture et donc atténuer la tenu de route.Cette décision a été prise à la suite d'accidents tragiques ayant la mort de fabuleux pilotes. Les ingénieurs avaient inventé la "jupe aérodynamique" qui emprisonnait l'air pour la voiture et produisait une succion énorme. A cette époque les forces G trop importantes pouvaient entraîner des casses et ainsi de terribles accidents; et si par malheur la voiture décollait un peu du sol, elle se mettait à voler ce qui était très dangereux.

Cheminées de sortie des radiateurs :

Les cheminés ont plusieurs rôles. Tous d’abord elles évacuent la chaleur des radiateurs mais elles agissent aussi comme des profils créant leurs propres appuis. C’est pourquoi elles sont toujours présentent même si elles sont obstruées. Elles participent pour une part importante au guidage de l’air dans la partie centrale à l’endroit même où l’abaissement du capot moteur crée un effet venturi. Cette zone très importante canalise un fort débit sous l’aileron arrière.

Déflecteur de pneu arrière :

Le déflecteur sert à défier l’air et à le calmer notamment à cause des roues qui sont un obstacle très important à l’écoulement de l’air. Cette pièce aide donc à contourner la roue et à diriger l’air vers l’aileron arrière.

Casque:

Le casque est aussi étudié par les ingénieurs aérodynamiciens. Celui-ci détermine par exemple la quantité d’air qui rentre dans la prise d’air au dessus du pilote. Et de manière assez curieuse la conception d’un casque de F1 affecte l’ensemble du profil aérodynamique de la voiture. Selon certains fabricants de casques, l’appui sur les ailerons arrières de la voiture peut être amélioré par la bonne conception d’un casque ! Les casques ont des petites ouvertures pour faire circuler l'air à l'intérieur et des protubérances à l'arrière pour diminuer la traînée et guider l'air. Voir dossier plus complet sur les casques.

Les Roues :

Les roues créent beaucoup de perturbation et de turbulence. Le carénage de celles-ci est interdit. Il existait un léger différent il y a quelque années entre les Michelin et les Bridgestone au niveau de la forme mais celle-ci tend de plus en plus à se ressembler.


Un peu de physique pour expliquer l'aérodynamique d'une F1 :

Nous allons étudier dans cette partie plus en détail les forces qui s'appliquent sur les appendices aérodynamiques. C’est une réalité aujourd'hui le département aérodynamique d'une écurie est la partie primordiale et qui permet de réaliser des gains de temps au tours très importants. L’appui augmente l'adhérence des pneus et des pneus adhérants signifie des vitesses de passage en virage plus élevées. Mais l'étude aérodynamique demande d'avoir une soufflerie dernier cri ce qui coûte très cher. Lors de l'étude en soufflerie ou en simulation il faut tenir compte de différentes contraintes comme le sol qui se déplace sous la voiture , les roues ...Les forces aérodynamiques sont généralement découpées en une composante longitudinale et une verticale. La longitudinale doit être réduite au maximum : c’est la traînée à laquelle on associe le Cx .La composante verticale est très importante : c’est la portance à laquelle on associe le Cz. C’est tout simplement les appuis de la formule 1.

La portance s’exprime par la relation :

Rz = Cz.r.S.V².1/2

Rz = portance en N
Cz = coefficient de portance sans unité
r = masse volumique de l'air en kg/m3 (r = 1.293 kg/m3)
S = maître couple en m²
V = vitesse de l'écoulement d'air non perturbé en m/s

La force de traînée peut s’exprimer par la relation :

Rx = Cx.r.S.V².1/2

Rx = traînée en N
Cx = coefficient de traînée sans unité
r = masse volumique de l'air en kg/m3 (r = 1.293 kg/m3)
S = maître couple en m²
V = vitesse de l'écoulement non perturbé en m/s

Généralement la traînée qui est à éviter se décompose en :

65 % pour la traînée de « forme »
15 % pour la traînée « d’interférence »
5 % pour la traînée « interne » (refroidissement, moteur, circulation d’air dans l’habitacle…)
5 % pour la traînée de « peau »
10 % pour la traînée associée à la portance

Le meilleur compromis n’est pas de créer un Cx faible mais plutôt un Cz important. Au final une formule 1 obtient un Cz imbattable mais le Cx devient « désastreux ». Avant que la FIA ne réduisent les appuis (aileron et fond plat) les efforts verticaux générés étaient de l’ordre de 22 KN (environ 2.1 tonnes), ce qui permettait des accélérations de 4 g. On s ’est aperçu que dans les grandes courbes les appuis augmentaient plus vite avec la vitesse que la force centrifuge. En clair la vitesse de passage en courbe rapide était limitée par le moteur et la résistance du pilote à l’accélération et non par l’adhérence des pneus. Cependant les pneus ont quand même leurs limites à supporter une charge verticale trop importante. Au final le grip ou adhérence dépend selon les années à prés de 80% de l’aérodynamique de la voiture et à 20% de ces pneus.