L’aérodynamisme en F1: Dossier

© LAT / Williams

L’aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte principalement sur la compréhension et l’analyse des écoulements d’air, ainsi qu’éventuellement leurs effets sur des éléments solides qu’ils environnent. L’aérodynamisme (terme non scientifique) qualifie l’apparence d’un corps en mouvement dans l’air et sa résistance à l’avancement. Le champ d’études peut se subdiviser en aérodynamique incompressible et compressible en fonction du nombre de Mach, c’est-à-dire en fonction du rapport entre la vitesse de l’écoulement et celle du son.

Le coefficient de traînée est le rapport de la traînée de l’objet étudié à celui d’un corps de même surface qui aurait un Cx de 1.

En aérodynamique automobile, connaître le Cx n’est pas suffisant, il est nécessaire de connaître aussi la surface frontale du véhicule. Dans un bilan de traînées comparées, on utilise le produit S . Cx. On obtient une « surface de traînée » équivalente qui aurait un Cx = 1.

• la force de traînée est : 

En Formule 1, on fait très attention à la portance aussi:

L’équation de la portance est similaire à celle de la traînée avec C_x remplacé par C_z ou bien Cy pour une portance latérale.

-La portance est une force perpendiculaire à l’aileron et dirigée vers le haut. C’est-à-dire, elle a tendance à faire s’élever l’objet. Cette force est proscrite en F1, où le but est de rester rivé au sol, la géométrie des appendices aérodynamiques est étudiée pour l’éliminer totalement.

-Le déplacement de l’air crée aussi la traînée, force parallèle au sol, qui s’oppose à la progression de l’objet dans l’air.  Elle représente, en quelque, sorte les forces de frottement sur l‘objet. En F1, on cherche bien sur à limiter au maximum cette force bien qu’il soit impossible de l’éliminer complètement.

© LAT / Pirelli

-Enfin, il y a l’appui aérodynamique. Force perpendiculaire à l’aileron et dirigée vers le bas. C’est le Saint Graal des aérodynamiciens, celle qui retient la voiture au sol en ligne droite et permet d’impressionnantes vitesses de passage en courbe.

Prise en compte très tôt dans l’histoire de l’automobile, à l’image de La Jamais contente profilée comme une torpille, l’aérodynamique automobile a pris de l’ampleur dans les années 1930. C’est en effet en 1934 aux États-Unis que la Chrysler Airflow, première automobile de série dessinée en respectant un profil aérodynamique, voit le jour. Par la suite, les automobiles ne vont cesser de s’améliorer, notamment après l’apparition des Formules 1 dont le championnat suscite encore aujourd’hui beaucoup d’effervescence dans ce domaine.

En 1950, la Fédération internationale de l’automobile instaure le premier championnat du monde des pilotes de Formule 1 ; ces derniers disputent des Grands Prix à bord de monoplaces aux roues non-carénées, ce qui engendre une traînée particulièrement handicapante pour les performances. Le perfectionnement de l’aérodynamique est donc devenu au fil des années un enjeu majeur, au même titre que celui dessuspensions ou de la motorisation.

Mais cela n’a pas toujours été le cas et les débuts ont été plutôt lents. Ce n’est qu’en 1966 qu’une première Formule 1 est testée en soufflerie; en 1968 le premier aileron arrière apparaît sur la Ferrari 312. La raison est, qu’avant 1968, les concepteurs de F1 se contentaient de réduire la traînée sans penser au fait que l’aérodynamique pouvait servir à augmenter l’appui en ajoutant des masses fictives (des forces aérodynamiques qui n’augmentent la masse et donc l’inertie du véhicule).

Colin Chapman, l’ingénieur responsable de Lotus, décide ensuite de s’intéresser au soubassement des monoplaces jusqu’alors largement oublié. Conscient que la création de déportance engendre celle de traînée, néfaste à l’avancement de l’automobile, il est persuadé que le soubassement peut offrir une déportance intéressante et une traînée minimale. Chapman réalise alors l’intérêt d’abaisser la garde au sol de la monoplace pour profiter de l’effet de sol.

Suite à diverses interdictions de la FIA pour limiter l’efficacité des monoplaces — une garde au sol minimale, un fond plat, etc. — les ingénieurs cherchent à retrouver l’appui qu’ils ont perdu avec les nouvelles règles. C’est ainsi que naît, dans les années 1990, le diffuseur. ( Source: Wiki)

Ce qu’il faut bien comprendre c’est que l’appui aérodynamique représente une charge fictive appliquée sur la voiture. Elle n’influence en aucune façon son inertie En effet, sa valeur dépend de la vitesse à laquelle se déplace la voiture. A haute vitesse l’inertie est très élevée mais elle diminue considérablement quand on ralentit, la voiture freinera et accélérera mieux, c’est exactement ce dont on a besoin pour boucler un tour à une vitesse optimum:

Nombreux sont les appendices aérodynamiques, dont l’aileron, reposant sur un principe physique simple, le principe de Bernoulli, qui définit que l’augmentation de la vitesse de l’air s’accompagne d’une diminution de sa pression statique. Le fonctionnement de l’aileron est donc d’augmenter la vitesse du flux d’air passant dans sa partie inférieure de manière à créer une dépression « aspirant » l’aileron vers le sol, d’où l’augmentation d’appui. Un appui supplémentaire peut être généré par l’inclinaison de l’aileron, au détriment néanmoins d’une dégradation de la traînée, due entre autres à la formation de tourbillons.

Comme évoqué précédemment, l’amélioration de la déportance par l’ajout d’un aileron engendre nécessairement une dégradation du C_x, d’autant plus que son inclinaison est importante. Le dimensionnement d’un aileron doit donc prendre en compte cet aspect et trouver le meilleur compromis entre l’appui L (lift) et la traînée D (drag). L’efficacité aérodynamique d’un aileron, défini par le rapport L/D, représente ce compromis ; plus ce rapport est élevé et plus les performances de l’aileron seront bonnes. En Formule 1, l’efficacité aérodynamique est proche de 3. ( Source: Wikipédia )

Les pontons et les radiateurs qui s’y abritent pénalisent fortement l’efficacité aérodynamique de la monoplace car l’air qui s’y engouffre et qui ressort à haute température par les cheminées subit un chute de pression qui augmente considérablement la traînée globale de la voiture.

La mécanique des fluides numérique, plus souvent dénommée CFD pour « Computational Fluid Dynamics », est une méthode de résolution numérique utilisée entre autres en aérodynamique automobile. Relativement récente puisque née dans les années 1970, cette méthode a pris de l’ampleur au fil des ans grâce aux progrès réalisés en informatique et permet aujourd’hui de résoudre des problèmes à géométrie complexe.