F1 - L'aérodynamique pour les nuls
L'eau permet de mieux visualiser le flux d'air
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F1 - L'aérodynamique pour les nuls

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L'eau permet de mieux visualiser le flux d'air

Dès aujourd'hui, fan-f1.com vous donne rendez-vous chaque semaine pour Mécano du Dimanche, la chronique consacrée à la technique en Formule 1. Chaque jour de Grand Prix, vous y lirez une présentation des principaux faits techniques du week-end, schémas à l'appui, alors que l'édition des semaines de repos traitera d'un sujet technique particulier. Aujourd'hui, nous nous plongeons dans le monde assez obscur de l'aérodynamique, pourtant roi dans la F1 moderne.

En installant un aileron à l'arrière de sa 312 en 1968, s'inspirant ainsi de l'aéronautique, Ferrari a ouvert la boîte de Pandore. Quarante ans - et un gel des moteurs - après, l'aérodynamique est le nerf de la guerre en Formule 1. Mais quelle est cette force étrange car invisible qui fait et défait des voitures ?

La réponse est tout autour de nous : l'air contenu dans notre atmosphère. En effet, tout objet se déplaçant dans l'air doit pour ce faire écarter les molécules qui le constituent, et subit donc une force qui tend à s'opposer à ce mouvement. Si pour l'être humain, il faut un vent contraire digne des plus grandes tempêtes pour que le déplacement devienne compliqué, pour une automobile lancée à grande vitesse, c'est tout autre chose.

Ainsi, on décompose cette force en deux parties distinctes. Lorsqu'un objet se déplace en ligne droite et parallèlement au sol, l'intensité de la force exercée horizontalement par l'air sur cet objet, appelée traînée aérodynamique, est proportionnelle au carré de la vitesse de l'objet, à sa surface en vue de face, et à un coefficient qui dépend de sa forme. Ce coefficient, appelé taux de pénétration dans l'air, et plus connu sous le nom de Cx, témoigne de la facilité qu'a l'objet à "faire son trou" dans l'air. Par conséquent, plus le Cx est faible, ou plus l'objet est petit vu de face, ou encore plus sa vitesse est faible, moins sa progression est entravée par l'atmosphère car cette dernière exerce alors une force plus faible.

Verticalement, l'air exerce aussi une force, appelée portance, qui suit la même logique : son intensité est proportionnelle au carré de la vitesse, à la surface de la voiture et à un coefficient qui dépend de sa forme, appelé coefficient de portance et noté Cz, qui traduit la propension de l'objet à décoller ou à être plaqué au sol. Car la portance, contrairement à la traînée (rien ne peut favoriser le déplacement d'un objet dans l'air, si ce n'est un vent de dos), peut être négative : on parle alors de déportance et lorsque cela concerne un objet posé sur le sol, d'appui aérodynamique.

Si dans le cas d'un avion, on cherche à faire en sorte que l'objet décolle, en générant une portance (donc dirigée vers le haut) pour combattre la gravité, en automobile, tout du moins en compétition, on recherche l'inverse. En effet, plus une voiture est plaquée au sol (que ce soit par l'appui aérodynamique ou par son propre poids), et plus ses pneus vont pouvoir encaisser de forces latérales sans glisser : autrement dit, plus l'appui est important, plus il y a d'adhérence, et donc, plus il est possible passer un virage rapidement.

Sur le papier, le travail d'un aérodynamicien de Formule 1 semble donc simple : concevoir la forme de la voiture qui génère le plus d'appui et le moins de traînée possibles. Cependant, ce travail est bien plus compliqué qu'il en a l'air : de manière générale, augmenter l'appui augmente aussi la traînée et vice versa. Et ceci sans parler du règlement, devenu de plus en plus restrictif au cours des années pour des raisons de sécurité. Ainsi, le règlement actuel permet l'utilisation d'un aileron avant, d'un aileron arrière, et d'un diffuseur pour générer de l'appui aérodynamique. Chacun de ces trois dispositifs contribue de manière équivalente à l'appui généré, alors que l'aileron arrière est le moins efficace des trois car il génère beaucoup de traînée. Le reste de l'aérodynamique de la voiture ne sert en réalité qu'à améliorer l'efficacité de ces trois éléments.

Le fonctionnement d'un aileron de F1, inspiré d'une aile d'avion renversée, est simple : sa courbure fait en sorte de soulever l'air. Ainsi, l'air au-dessus de l'aileron est comprimé (sa pression augmente et sa vitesse de déplacement diminue) et inversement pour l'air situé en dessous. Or, la notion de pression d'un gaz n'est en fait que le reflet de la force qu'exerce ce gaz sur les surfaces auxquelles il est exposé. Par conséquent, l'intensité de la force exercée sur le dessus de l'aileron est supérieure à celle exercée en dessous : la force résultante est donc pointée vers le bas, mais aussi vers l'arrière (ce que sont réellement appui et traînée respectivement). Il va de soi que plus un aileron est braqué, et plus il génère d'appui, mais aussi de traînée. Mais remarquons aussi que plus un aileron est divisé en plans, et plus il peut être braqué sans que l'augmentation de la traînée soit importante. Si le nombre de plans est illimité pour l'aileron avant (hormis les 50cm centraux communs à toutes les voitures et constitués d'un seul plan qui ne génère pas d'appui), l'aileron arrière doit être constitué de deux plans, ni plus, ni moins, DRS oblige.

Le diffuseur, quant à lui, exploite ce qu'on appelle l'effet de sol : la proximité de la surface de la piste crée une sorte de conduit sous la voiture. Bien que le soubassement de la voiture doive être plat, à partir de l'axe des roues arrière, la carrosserie est autorisée à remonter, ce qui constitue effectivement le diffuseur. Ainsi, le conduit s'agrandit en hauteur : l'air qu'il contenait peut donc prendre plus de place et par conséquent, sa pression diminue (donc sa vitesse d'écoulement augmente). De l'autre côté du diffuseur, la pression de l'air augmente légèrement. De la même manière qu'un aileron, cette différence de pression se traduit en appui. L'avantage par rapport à un aileron est que le diffuseur génère beaucoup moins de traînée. L'inconvénient, c'est le règlement en lui-même, qui depuis 2011 est très strict en la matière. Et il faut des moyens détournés (le fameux soufflage) pour en maintenir l'efficacité.

Le diffuseur et les ailerons souffrent cependant d'un même problème de "fuites" : à leurs extrémités latérales, l'air à haute pression du dessus à une tendance naturelle à être aspiré par les zones à basse pression de dessous. Ces fuites génèrent énormément de traînée, parce que ce déplacement de l'air crée des tourbillons, qui deviennent parfois visibles quand l'humidité est forte. Si pour les ailerons, on peut atténuer le problème en y fixant des parois latérales, puis en perçant dans ces parois de petites ouvertures, pour le diffuseur, le règlement n'autorise plus les jupes, qui permettaient d'étanchéifier parfaitement le soubassement, depuis les années 80.

Au final, malgré tous les efforts et l'argent dépensés pour sa conception, une F1 reste très peu efficace en termes de traînée : les pneus, situés hors de toute carrosserie et tournant à plus de 2400 tours par minute à 300km/h, perturbent grandement sa pénétration dans l'air. Par conséquent, selon des indiscrétions, le Cx est en moyenne voisin de 1, et peut descendre au minimum à 0,8 avec un aileron arrière conçu pour les longues lignes droites de Monza. Un tel chiffre reste énorme quand on sait que pour une automobile de série, il est autour de 0,3 en moyenne, avec un record de 0,24 pour la dernière Mercedes Classe E ! Heureusement, la petitesse d'une F1 – depuis 2009, les ailerons arrière ont des dimensions comparables à deux feuilles et demi au format A4 mises bout à bout en longueur – et le fait qu'elle puisse générer l'équivalent de plusieurs tonnes en appui aérodynamique à haute vitesse font toute de même des F1 les machines les plus rapides au monde sur un circuit.
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    Kasyx972, 1 Jul. 2012, 15:58

    J'adore ! Ou comment un simple attrape moi si tu peux devient un défi technologique Clairement expliqué et complet J'attends avec impatience le prochain article


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    eric974, 1 Jul. 2012, 17:28

    très bon article c'était la rubrique qui manquait au site pour être complet bravo


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    Tigrou, 2 Jul. 2012, 15:02

    Belle intention, j'ai juste 2 critiques à apporter, et ça n'est pas pour em***der le monde. 1- il manque quelques schémas, d'autant que c'est de la mécanique des fluides basique 2- un profil d'aile est fait de telle sorte qu'il y ait une différence de vitesse entre les flux passant au-dessus de l'aile et en dessous.. c'est ce qui créé de la portance.. vous employez le raisonnement inverse.


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    Globben, 2 Jul. 2012, 15:04

    Bravo Gusgus, ça nous changera des inutiles animations de Moncet ! Cet aspect ingénierie de la F1 est ce qui fait sa spécificité mais qui est trop souvent ignoré - peut-être cela permettra-t-il à certains lecteurs de s'y intéresser davantage.


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    Gusgus, 2 Jul. 2012, 23:04

    Merci pour les critiques, positives comme négatives :) @Tigrou : ne vous excusez pas d'émettre des critiques, les commentaires sont là pour ça et c'est comme ça que l'on progresse. Si pour le point 1, je vous donne tout à fait raison, et ça changera pour les chroniques suivantes, j'ai du mal à vous suivre sur le point 2. A moins que j'aie mal compris ce que vous me reprochez, je dis - tout du moins je voulais faire comprendre - que la différence de pression crée l'appui, ce qui est équivalent, d'après le théorème de Bernouilli, à une différence de vitesse d'écoulement (mais dans le sens inverse, la vitesse étant plus faible sur le dessus du profil qu'en dessous). Pour ma part, je trouvais la version utilisant la pression plus parlante parce que la notion de pression est équivalente à celle de force (à une unité de surface près).


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    Tigrou, 3 Jul. 2012, 7:28

    Bonjour Gusgus, Je n'ai pas été clair c'est vrai. En fait entre l'intrados et l'extrados du profil d'aile, l'écoulement se fait à des vitesses différentes. La pression statique est inversement proportionnelle à la vitesse de l'écoulement (Bernoulli), et c'est donc la différence de vitesses qui crée la différence de pression et sa résultante. C'est ce que je soulignais. Mais je chicane car ça reste tout à fait clair. Du bon boulot.


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