L'aérodynamique en F1

8/7/2019 L'arodynamique en F1

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Larodynamique en Formule 1

Principes de base

Vaste programme, et pour commencer je crois quil est indispensable de faire un petit rappel desrgles de base de ce domaine si complexe quest larodynamique.

Tout dabord, pourquoi larodynamique est-elle si importante dans la recherche de performancestoujours plus extrmes en sport auto ?

Simplement parce qualler vite dans une ligne droite est relativement simple : regardez les dragsters,rien de bien compliqu l-dedans. Un moteur davion de chasse solidement attach un chssis quise veut le plus rigide possible, on dmarre le moteur, on pousse les gaz fond et roulez jeunesse !

Lengin vous avale les 400 mtres dpart arrt avec la vlocit de la fuse Ariane au dcollage, unparachute pour arrter le tout avant darriver sur la lune et le tour est jou. Certes cest trs

impressionnant et surtout trs dangereux mais nul besoin, pour raliser cette performance, dedisposer dun budget astronomique ou de dvelopper la voiture chaque jour que Dieu fait pour esprerrester aux avant-postes de la discipline.

En F1, tout le problme rside dans le fait quun circuit a tourne. Et comme le but avou de cettediscipline est de boucler toute la longueur du circuit dans le laps de temps le plus rduit possible, il nya quune solution : ralentir le moins possible pour passer les virages et offrir une rsistance minimale lair dans les lignes droites. En plus de cela, vient se greffer un troisime paramtre : lerefroidissement de lensemble des lments mcaniques de la monoplace qui comprennent en toutpremier lieu le moteur, mais aussi les freins qui dgagent une chaleur incroyable tout au long de lacourse.

Lappui arodynamique

Tout le monde sait que le rle des ailerons est dappliquer une charge arodynamique, que se soit surle train avant ou arrire de la monoplace (bien quils possdent dautres proprits dont je vousparlerais plus tard). Mais que sont ces fameuses forces arodynamiques et comment fonctionne unaileron ?

Les forces arodynamiques

Tout objet se dplaant dans lair avec une certaine vitesse est soumis plusieurs forces cres parlair dplac par le mouvement de cet objet.

La portance est une force perpendiculaire laileron et dirige vers le haut. Cest--dire quelle a

tendance faire slever lobjet. Cette force est proscrite en F1, o le but est de rester sur le sol, lagomtrie des appendices arodynamiques est tudie pour lliminer totalement.

Le dplacement de lair cre aussi la trane, force parallle au sol, qui soppose la progression delobjet dans lair. Elle reprsente, en quelque, sorte les forces de frottement sur lobjet. En F1, oncherche bien sur limiter au maximum cette force bien quil soit impossible de lliminercompltement.

Et puis bien sur il y a lappui arodynamique. Force perpendiculaire laileron et dirige vers le bas.

Cest le Saint Graal des arodynamiciens, celle qui retient la voiture au sol en ligne droite et permetdimpressionnantes vitesses de passage en courbe.


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Dans la conception daileron on cherche toujours trouver le meilleur rapport entre lappui et latrane. Cest le rapport L/D, o L est lappui (lift en anglais) et o D est la trane (Drag en anglais).

Le rapport L/D reprsente lefficacit arodynamique. En effet, plus un aileron gnre dappui et moinsil cre de trane, plus le rapport sera lev. En F1 le rapport L/D a une valeur proche de trois. Cecidfinit la dportance dun aileron, cest--dire sa proprit a crer ces forces.

Les forces arodynamiques varient en fonction du carr de la vitesse donc la variation de ladportance ne se fait pas de faon linaire. Ainsi, une faible augmentation de la vitesse fait varier defaon considrable la valeur de lappui arodynamique. Ceci cre un paradoxe assez surprenant, unvirage que la voiture ne peut pas passer vitesse moyenne cause du manque dappui pourra tout fait tre abord vitesse beaucoup plus leve car lappui supplmentaire cre par la vitesse

prservera ladhrence de la voiture dans la courbe. En gros, si a ne marche pas 150 Km/h,essayons 200 et a a toutes les chances de passer. Donc, plus lappui est lev plus la voiture pse lourd sur ses pneumatiques et plus ceux-ci ont la capacit de rester colls au sol dans unvirage, et ce, malgr la force centrifuge qui a tendance les faire patiner.

Pour gnrer ces forces arodynamiques, les ingnieurs ont trouv la solution de fixer des aileronssur les monoplaces et dutiliser un diffuseur larrire. De nos jours, lensemble de la voiture esttudie en soufflerie et par simulation sur ordinateur pour diriger au mieux le flux dair autour de celle-ci et faire travailler de faon optimale tous les appendices arodynamiques. Mais avantdenvisager la voiture dans son intgralit, intressons-nous dabord au principe de base defonctionnement des ailerons.

Principe de fonctionnement des ailerons

En substance, un aileron de formule 1 est peu de choses prs, une aile davion monte lenvers.Sur un avion, laile sert le faire dcoller, alors que sur une F1, laileron maintient la voiture colle lapiste.

Le fonctionnement de ces appendices arodynamiques repose sur un principe physique assez simple: le principe de Bernoulli. Lappui arodynamique dpend de la diffrence de vitesse entre le flux dairqui passe sous laileron et celui qui passe au dessus. Au niveau du bord dattaque de laileron le fluxdair est scind en deux et il se reconstitue au niveau du bord de fuite. Toute lastuce rside dans lefait que le chemin parcouru par lair sous laileron est plus long que celui parcouru par lair au dessusde laileron.

Ceci a pour consquence que lair circule plus vite sous laileron (extrados) que sur laileron (intrados),il en rsulte une diffrence de pression entre les deux faces de laileron : La pression est plus basseen dessous quau dessus ce qui a pour effet de plaquer la monoplace au sol.


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Sur un avion, cest linverse : la pression est plus importante sous laile que dessus, la carlingue estdonc maintenue en altitude.

Les effets spectaculaires dune diffrence de pression de part et dautre dun lment sont assezfacile observer, mme chez vous. Il suffit pour dmontrer sa puissance, dans ce cas celle de lapression atmosphrique, de disposer dun verre, dune feuille de papier et deau. Remplissez le verredeau ras bord et glissez la feuille de papier par-dessus. Celle-ci doit tre colle au bord du verresur tout le tour. Retournez le verre tout en maintenant la feuille puis enlevez votre main. La feuillereste colle au verre et leau ne scoule pas! (Je lai fait, a marche). Cest la pression atmosphriquequi maintient le papier coll et empche le sol de votre cuisine de ressembler une piscine.

Explication: dans le verre il ny a pas dair la pression est donc nulle, cest une dpression, la pressionextrieure est donc la seule a exercer ses effets. Si la pression atmosphrique, dont la valeur estpourtant minime (environ 1Kg/cm) peut faire a alors imaginez la force cre par lair sur un aileron deF1 Pour exemple : 300Km/h lensemble de laileron arrire reoit une charge denviron 500Kg.

Sur une F1, lair appuie sur la face suprieure de laileron, mais dans ce cas, cest le flux dair souslaileron qui se charge de crer la dpression.

Pourquoi utiliser lappui arodynamique en F1 ?

Cest vrai, pourquoi utiliser cette technique plutt quune autre ? Finalement, si tout ce quil faut cestmaintenir la voiture au sol, alors autant la lester, la monoplace psera deux tonnes et l pour la fairedcoller bonne chance! Pour quelle aille aussi vite quavant il suffit de lui mettre un moteur pluspuissant, a, on sait faire et en plus ils sera plus lourd, cest justement ce quon veut. Mais voil,

quand on augmente le poids de la voiture on maximise au passage son inertie. La voiture mettraitbeaucoup plus de temps freiner et acclrer et au final on perd normment de temps.

Ce quil faut bien comprendre cest que lappui arodynamique reprsente une charge fictiveapplique sur la voiture. Elle ninfluence en aucune faon son inertie En effet, sa valeur dpend de lavitesse laquelle se dplace la voiture.

A haute vitesse, l'inertie est trs leve mais elle diminue considrablement quand on ralentit, lavoiture freinera et acclrera mieux, cest exactement ce dont on a besoin pour boucler un tour unevitesse optimum.


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Larodynamique de lavant

Lavant dtermine lefficacit aro globale de la Formule 1 car le museau et laileron avant dirigent,canalisent et sparent le flux dair passant sous, sur et autour de la voiture. Ce "travail" conditionne lebon fonctionnement arodynamique du reste de la monoplace.

Les diffrents lments arodynamique de l'avant d'une F1

Laileron avant

La proximit de laileron avec le sol dtermine son efficacit car plus lespace est petit plus lair auraune vitesse de passage leve et donc daprs Bernoulli plus la pression sera forte et lappuiimportant.

Toutefois il ne faut pas dpasser une certaine limite car lcoulement du flux dair finirait par treperturb, en effet une petite paisseur dair autour de laileron appele couche limite- ne bouge pas.

Cest en utilisant ce principe que la FIA a pu limiter les performances des F1 en imposant en 2005 unehauteur minimale de 15cm au dessus du sol pour les bords de laileron (dflecteurs) et 10cm pour sapartie centrale. (+5cm par rapport 2004)

Trois top-team et autant d'ailerons et nez diffrents


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Le museau ou nez

Le museau diffre beaucoup suivant les curies, mais il est maintenant toujours dissoci de laileronavant, ce qui permet dviter une perte dappui au milieu de celui-ci. Plus le nez est loign de la"moustache", plus le flux dair qui pntre sous la voiture est important. Ceci pour avantage degnrer un fort appui aro, damliorer le fonctionnement du diffuseur larrire de la voiture et de

rduire la trane produite par lavant de la monoplace, mais le centre de gravit de la voiture setrouve rehauss ce qui nuit la dynamique de la voiture En F1 tout est affaire de compromis !

Les roues avant

Linfluence des roues avant est un vrai cauchemar pour les arodynamiciens. En effet une roue enrotation engendre devant elle une surpression devant elle qui aurait tendance la soulever et donccrer de la portance, lennemie dune Formule 1 performante. De plus les roues crent aussi unetrane importante pnalisant lappui arodynamique de la voiture. Pour remdier ce problme lesdflecteurs sur laileron avant canalisent le flux dair soit vers le ct extrieur de la roue, soit verslintrieur et plus particulirement vers les copes de freins afin de refroidir ces derniers plusefficacement. Ainsi on minimise le flux dair incident sur les roues avant et donc on neutralise seseffets nfastes.

Une roue avant et sa suspension profile

Les bras de suspensions

Les bras de suspensions ne peuvent pas engendrer dappui arodynamique daprs le rglement dela FIA, mais ils sont profils pour offrir le minimum de rsistance lair.

Les dflecteurs latraux

Les dflecteurs latraux ne gnrent pas dappui arodynamique mais ils permettent de sparer leflux dair en deux : lun, extrieur et perturb par les roues avant contourne les pontons, tandis quelautre intrieur et plus propre (sans turbulences) sy engouffre. Il faut donc trouver le boncompromis entre "air propre" et bon refroidissement. Cependant toutes les curies nutilisent pas cetartifice, laileron avant et ses dflecteurs canalisant assez dair propre. (Ex: Toyota et Honda en 2006)


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Dflecteur latral de la BMW 2006 et absence de dflecteur sur la Toyota de 2006

Les pontons

Les pontons et les radiateurs qui sy abritent pnalisent fortement lefficacit arodynamique de lamonoplace car lair qui sy engouffre et qui ressort haute temprature par les chemines subit unchute de pression qui augmente considrablement la trane globale de la voiture.

Le saut-vent

Le saute-vent est un petit rebord en plastique transparent de quelques centimtres situ devant levolant et qui protge le pilote du vent et de la pluie -enfin dans la mesure du possible- et permetgalement de diriger le flux dair vers la boite air dont la prise dair se trouve au dessus de sa tte etqui alimente le moteur.

Saut-vent de la BAR de Sato en 2005


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Larodynamique de larrire

Cest lensemble des lments situs derrire le casque du pilote. Il dtermine en grande partielefficacit globale de la voiture en conditionnant principalement la trane gnrale de la F1. Cettepartie est trs intressante dun point de vue aro mais aussi trs complexe car son rendementdpend beaucoup de la qualit des flux dair arrivant de lavant.

Ensemble des lments arodynamique de l'arrire d'une F1

La boite air

La boite air doit assurer une bonne alimentation en air du moteur quelque soit la vitesse, sansperturber larodynamique de la voiture. Certaines dimensions sont dictes par la FIA mais le profilageest laiss aux choix des curies qui doivent trouver une fois encore le bon compromis entreefficacit aro et performance du moteur. La boite air comprend en outre un arceau de scurit quiprotge le pilote en cas de tonneau.

Comme les dflecteurs latraux les petites ailettes situes sur la boite air nengendrent pas dappuimais permettent de guider et dassainir le flux dair vers laileron arrire.


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Le capot moteur

Le capot moteur doit privilgier larrive du flux dair sur larrire de la monoplace. Sa forme dpend duprofilage de la boite air ainsi que de la position et la largeur du moteur. Le but est de dgager unmaximum la partie qui prcde laileron arrire avec un capot troit et abrupt. Cest ainsi quaveclarrive des V8 et donc la disparition de deux cylindres les capots moteurs sont plus resserrs

larrire.

Comparatif entre le capot moteur de la Renault F1 de 2006 et 2005

Il faut cependant faire attention ne pas trop rapprocher le capot du moteur car avec la chaleur que

dgage ce dernier, le capot peut prendre feu, msaventure qui est arrive Kimi Rikknen lors duGP de Monaco 2006.

Laileron arrire

Laileron arrire gnre de lappui sur le train arrire ce qui permet daugmenter ladhrence en virage,de passer la puissance au sol et dquilibrer la voiture. Si cest certainement lun des appendicesarodynamiques gnrant le plus dappui, il cre aussi une forte trane qui influe directement sur lavitesse de pointe.

Afin de rduire son efficacit la FIA a limit le nombre de lames deux dans la partie haute et une

en bas. Dans le mme but en 2005 la FIA la avanc de quelques centimtres car en tant plusproches des roues arrires le flux dair est de moins bonne qualit et donc lappui moins consquent.


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Les deux lames du haut sont facilement rglables, pour pouvoir faire varier le rapport appui/trane(ration L/D) en fonction des caractristiques des circuits.

Pour les circuits rapides o il faut privilgier la vitesse de pointe linclinaison est minimale par contrepour les circuits exigeants en appui les lames sont plus braques.

Aileron arrire de la BMW 2006

Les drives latrales de laileron arrire

Du fait des diffrences de pressions sur et sous les lames de laileron arrire, lair a tendance lesquilibrer en passant sur les cts. Ce phnomne comporte plusieurs effets nfastes pour uneFormule 1 : une perte dnergie qui augmente la trane et une diminution de la dportance. Pourcontrer ce principe les cloisons verticales de laileron "emprisonnent" le flux dair et vitent lquilibragedes pressions. Cependant le revers de la mdaille fait quun mauvais coulement de lair peutprovoquer des phnomnes de bourrage. Cest pour les viter que les quipes crent des oues dansles drives.

Les roues arrire

Les roues arrire sont comme les roues avant gnratrices de perturbations quil faut limiter. Cestpour a quun vaste dflecteur, nom de code : flip-up, situ juste devant les roues dvie le flux dairvers le haut ce qui limite considrablement la portance parasite des roues. Lautre consquence

bnfique est la cration dun appui arodynamique appuyant sur le train arrire.

Sous le flip-up, une plaque horizontale prolonge le dessous du ponton et arrive au ras du pneu.

Comme nous lavons vu prcdemment une surpression se cre devant la roue en rotation, celle-ciappui sur la plaque horizontale ce qui gnre une dportance. Laquelle est dautant plus importanteque sous la plaque lair circule trs vite (do une dpression).

Les winglets

Les winglets sont les petits appendices aro qui fleurissent sur les pontons des monoplaces. Entravaillant avec les chemines ils apportent un appui aro supplmentaire et aident au refroidissement

des pneumatiques arrires.


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L'arrire d'un ponton de la R26 et ses appendices aro

Linfluence des chappements

Depuis quelques annes les chappements sont placs vers le haut. Cette solution, en plus derpondre des contraintes lies au moteur, a lavantage de dgager la rgion du diffuseur et doncdaccrotre son rendement. Lappui ainsi gnr compense largement la trane quils entranent. Ilfaut simplement sassurer que les gaz dchappement expulss haute vitesse et hautetemprature ne perturbent pas le comportement de la voiture.

Larodynamique sous la monoplace

Une bonne circulation de lair sous la voiture est primordiale pour avoir une F1 performante. Cettezone est particulirement intressante pour les arodynamiciens car lappui quelle peut apporter estconsidrable par rapport la trane induite.

Le soubassement

Cest la partie situe entre les deux trains de roues. Son efficacit est en grande partie dtermine parle museau et laileron avant de la monoplace, ainsi que par la hauteur de caisse. En effet si cettedernire est trop basse, lespace entre le sol et le soubassement nest pas suffisant pour permettre unbon coulement du flux dair ce qui freine la voiture par effet de succion et frottement visqueux aveclair. Par contre si on loigne la caisse du sol lentre de lair sera facilite mais la voiture pourra tresouleve par effet de bourrage. La solution consiste alors acclrer le flux dair sous la voiture, cequi revient crer une dpression qui plaquera la voiture au sol. Cest au diffuseur que revient cettecharge.

La hauteur de caisse a une influence trs importante sur lappui de la voiture et doit donc tre rgle

au millimtre prs en fonction des circuits. Cependant depuis 1994 la FIA impose une hauteurminimale de 10mm et contrle celle-ci laide dun patin de bois fix sous la voiture et qui ne doit pastre dgrad de plus dun millimtre la fin de la course sous peine de disqualification.


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Le diffuseur

Il a pour mission dvacuer lair sous la monoplace pour crer une dpression et lappui qui va avec.

Mais son rglage et sa conception sont dlicats : si trop dair sen chappe la voiture sera freine,mais sil ny en a pas assez larrire manquera dappui.

Il est compos dun tunnel central et de deux latraux pour accrotre son efficacit et la vitesse de lairsous la voiture. Lun des paramtres influenant le plus son action est langle quil forme avec lesoubassement. Plus langle augmente plus lappui augmente mais partir de 4la trane apparat,probablement cause des tourbillons qui se forment derrire le diffuseur. L encore il sagit donc pourles curies de trouver le meilleur compromis en fonction des circuits.

De plus la proximit du diffuseur avec laileron arrire cre larrire de la monoplace une vaste zonede dpression combinant les deux, ce qui est bnfique pour la F1.

Le diffuseur de la Toyota 2006


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Lappui global de la voiture

Le centre de pression

Comme nous lavons vu toute la surface de la voiture en contact avec lair est optimise pour crer un

maximum dappuis. Il est possible de modliser la somme des appuis en une force rsultante quisapplique partir du centre de pression, tout comme le poids total de la voiture sapplique au centrede gravit.

Cest justement la position relative entre ces deux centres qui est importante pour la stabilit de lavoiture. Pour quune F1 soit stable haute vitesse, le centre de pression doit tre confondu (cas idal)ou derrire le centre de gravit.

Linfluence du vent

Vu limportance des flux dair sur la performance dune monoplace il est ais de comprendre que levent peut tre un lment perturbateur pour une Formule 1.

Si le vent soufflant 10km, arrive de face sur une Formule 1 roulant 330Km, la vitesse relative de lavoiture par rapport au vent sera donc de 340km soit peine 3% de plus. Mais, comme Sywel la djexpliqu, lappui arodynamique varie avec le carr de la vitesse relative, ainsi lappui se trouve doncaugment de 9% ce qui peut perturber une monoplace. Pour un vent de face lhypothse estfavorable, mais pour un vent arrire lappui est perturb et la perte dadhrence peut treproblmatique pour un pilote.

Un vent latral va quand lui engendrer une force arodynamique agissant sur le cot de lamonoplace en passant par le centre de pression. Celui-ci tant situ derrire le centre de gravit lavoiture pivotera autour de cet axe, ce mouvement de rotation devra tre corrig par le pilote.

Dans le sillage dune autre monoplace

En avanant, une Formule 1 met en mouvement la masse dair quelle traverse, et si elle est suivie parune monoplace (de quelques mtres quelques dizaines) plusieurs phnomnes vont se passer.

Le premier est le phnomne bien connu de laspiration. La premire voiture fait son passage danslair et celui de la suivante en est facilit, ce lui permet de gagner quelques Km/h qui peuvent laider dpasser en bout de ligne droite.

Le deuxime phnomne est le "dventement". Derrire la premire monoplace, la masse dair quellevient de traverser suit la mme trajectoire ce qui cre un vent arrire dfavorable pour la deuxime quise trouve dvente et donc en perte dappui et dadhrence. Particulirement laileron avant car lamasse dair est globalement dvie vers le haut par la voiture 1 du fait de lappui gnr. De plus ces

flux dair seront trs perturbs et turbulents. Ce phnomne nest gure gnant en ligne droite olaspiration prime mais il est un problme dans les courbes rapides.

Le dernier phnomne est la monte en temprature du flux dair aprs le passage du premiervhicule. Les deux inconvnients sont : une perte dappui car lair chaud est moins dense et doncdfavorise la dportance, et des difficults de refroidissement du moteur. Cest pour cette raison quunpilote suivant une autre monoplace aura tendance ne pas prendre exactement la mme trajectoireque la voiture qui le prcde afin de bien refroidir son moteur.


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Laro et la FIA

La FIA tente chaque anne de rduire lefficacit arodynamique des monoplaces avec denombreuses modifications de rglements. Ces mesures sont motives par un souci de scurit pourles pilotes et pour amliorer le spectacle. En effet comme nous lavons vu, suivre une monoplace deprs nest pas une chose aise et dpasser est difficile. En imposant aux curies de rduire lesperturbations cres par la partie arrire de la voiture la FIA espre faciliter les dpassements.

Documents

L'aérodynamique en F1