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Technologie - Aérodynamique (les bases)

L’aérodynamique en Formule 1

- Principes de base -

 

    Vaste programme, et pour commencer je crois qu’il est indispensable de faire un petit rappel des règles de base de ce domaine si complexe qu’est l’aérodynamique.

 

    Tout d’abord, pourquoi l’aérodynamique est-elle si importante dans la recherche de performances toujours plus extrêmes en sport auto ?
    Simplement parce qu’aller vite dans une ligne droite est relativement simple : regardez les dragsters, rien de bien compliqué là-dedans. Un moteur d’avion de chasse solidement attaché à un châssis qui se veut le plus rigide possible, on démarre le moteur, on pousse les gaz à fond et roulez jeunesse ! L’engin vous avale les 400 mètres départ arrêté avec la vélocité de la fusée Ariane au décollage, un parachute pour arrêter le tout avant d’arriver sur la lune et le tour est joué. Certes c’est très impressionnant et surtout très dangereux mais nul besoin,  pour réaliser cette performance, de disposer d’un budget astronomique ou de développer la voiture chaque jour que Dieu fait pour espérer rester aux avant-postes de la discipline.

 

    En F1, tout le problème réside dans le fait qu’un circuit… ça tourne. Et comme le but avoué de cette discipline est de boucler toute la longueur du circuit dans le laps de temps le plus réduit possible, il n’y a qu’une solution : ralentir le moins possible pour passer les virages et offrir une résistance minimale à l’air dans les lignes droites. En plus de cela, vient se greffer un troisième paramètre : le refroidissement de l’ensemble des éléments mécaniques de la monoplace qui comprennent en tout premier lieu le moteur, mais aussi les freins qui dégagent une chaleur incroyable tout au long de la course.

 

L’appui aérodynamique.

 

    Tout le monde sait que le rôle des ailerons est d’appliquer une charge aérodynamique, que se soit sur le train avant ou arrière de la monoplace (bien qu’ils possèdent d’autres propriétés dont je vous parlerais plus tard). Mais que sont ces fameuses forces aérodynamiques et comment fonctionne un aileron ?

            

 

    Les forces aérodynamiques :

               

    Tout objet se déplaçant dans l’air avec une certaine vitesse est soumis à plusieurs forces crées par l’air déplacé par le mouvement de cet objet.

 

    -La portance est une force perpendiculaire à l’aileron et dirigée vers le haut. C’est-à-dire qu’elle a tendance à faire s’élever l’objet. Cette force est proscrite en F1, où le but est de rester sur le 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.

 

    -Et puis bien sur 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.

 

 

    Dans la conception d’aileron on cherche toujours à trouver le meilleur rapport entre l’appui et la traînée. C’est le rapport L/D, où L est l’appui (lift en anglais) et où D est la traînée (Drag en anglais). Le rapport L/D représente l’efficacité aérodynamique. En effet, plus un aileron génère d’appui et moins il crée de traînée, plus le rapport sera élevé. En F1 le rapport L/D a une valeur proche de trois. Ceci définit la déportance d’un aileron, c’est-à-dire sa propriété a créer ces forces.

 

    Les forces aérodynamiques varient en fonction du carré de la vitesse donc la variation de la déportance ne se fait pas de façon linéaire. Ainsi, une faible augmentation de la vitesse fait varier de façon considérable la valeur de l’appui aérodynamique. Ceci crée un paradoxe assez surprenant, un virage que la voiture ne peut pas passer à vitesse moyenne à cause du manque d’appui pourra tout à fait être abordé à vitesse beaucoup plus élevée car l’appui supplémentaire crée par la vitesse préservera l’adhérence de la voiture dans la courbe. En gros, si ça ne marche pas à 150 Km/h, essayons à 200 et ça a toutes les chances de passer. Donc, plus l’appui est élevé plus la voiture « pèse lourd » sur ses pneumatiques et plus ceux-ci ont la capacité de rester collés au sol dans un virage, et ce, malgré la force centrifuge qui a tendance à les faire patiner.

 

    Pour générer ces forces aérodynamiques, les ingénieurs ont trouvé la solution de fixer des ailerons sur les monoplaces et d’utiliser un diffuseur à l’arrière. De nos jours, l’ensemble de la voiture est étudiée en soufflerie et par simulation sur ordinateur pour diriger au mieux le flux d’air autour de celle-ci et « faire travailler » de façon optimale tous les appendices aérodynamiques. Mais avant d’envisager la voiture dans son intégralité, intéressons-nous d’abord au principe de base de fonctionnement des ailerons. 


 

    Principe de fonctionnement des ailerons :

 

    En substance, un aileron de formule 1 est à peu de choses près, une aile d’avion montée à l’envers. Sur un avion, l’aile sert à le faire décoller, alors que sur une F1, l’aileron maintient la voiture collée à la piste.

 
    Le fonctionnement de ces appendices aérodynamiques repose sur un principe physique assez simple : le principe de Bernoulli. L’appui aérodynamique dépend de la différence de vitesse entre le flux d’air qui passe sous l’aileron et celui qui passe au dessus. Au niveau du bord d’attaque de l’aileron le flux d’air est scindé en deux et il se reconstitue au niveau du bord de fuite. Toute l’astuce réside dans le fait que le chemin parcouru par l’air sous l’aileron est plus long que celui parcouru par l’air au dessus de l’aileron. Ceci a pour conséquence que l’air circule plus vite sous l’aileron (extrados) que sur l’aileron (intrados), il en résulte une différence de pression entre les deux faces de l’aileron : La pression est plus basse en dessous qu’au dessus ce qui a pour effet de plaquer la monoplace au sol.
 
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    Sur un avion, c’est l’inverse : la pression est plus importante sous l’aile que dessus, la carlingue est donc maintenue en altitude.

 

    Les effets spectaculaires d’une différence de pression de part et d’autre d’un élément sont assez facile à observer, même chez vous. Il suffit pour démontrer sa puissance, dans ce cas celle de la pression atmosphérique, de disposer d’un verre, d’une feuille de papier et d’eau. Remplissez le verre d’eau à  ras bord et glissez la feuille de papier par-dessus. Celle-ci doit être collée au bord du verre sur tout le tour. Retournez le verre tout en maintenant la feuille puis enlevez votre main. La feuille reste collée au verre et l’eau ne s’écoule pas! (Je l’ai fait, ça marche). C’est la pression atmosphérique qui maintient le papier collé et empêche le sol de votre cuisine de ressembler à une piscine. Explication: dans le verre il n’y a pas d’air la pression est donc nulle, c’est une dépression, la pression extérieure est donc la seule a exercer ses effets. Si la pression atmosphérique, dont la valeur est pourtant minime (environ 1Kg/cm²)  peut faire ça alors imaginez la force crée par l’air sur un aileron de F1 … Pour exemple : à 300Km/h  l’ensemble de l’aileron arrière reçoit une charge d’environ 500Kg.

 
   Sur une F1, l’air appuie sur la face supérieure de l’aileron, mais dans ce cas, c’est le flux d’air sous l’aileron qui se charge de créer la dépression.

 

 

    Pourquoi utiliser l’appui aérodynamique en F1 ?

 

    C’est vrai, pourquoi utiliser cette technique plutôt qu’une autre ? Finalement, si tout ce qu’il faut c’est maintenir la voiture au sol, alors autant la lester, la monoplace pèsera deux tonnes et là pour la faire décoller bonne chance! Pour qu’elle aille aussi vite qu’avant il suffit de lui mettre un moteur plus puissant, ça, on sait faire et en plus ils sera plus lourd, c’est justement ce qu’on veut. Mais voilà, quand on augmente le poids  de la voiture on maximise au passage son inertie. La voiture mettrait beaucoup plus de temps à freiner et à accélérer et au final on perd énormément de temps.              

    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 elle est très élevée mais elle diminue considérablement quand on ralentit. D’une certaine manière, la voiture pèse plus lourd en ligne droite qu’en virage et c’est exactement ce dont on a besoin pour boucler un tour à une vitesse optimum.

Pour aller plus loin : L'aérodynamique d'une Formule 1

 

Article écrit par Sywel, rédactrice pour le site Femin-F1

 

Date de création : 10/05/2013 - 09:27
Dernière modification : 06/07/2013 - 09:31
Catégorie : Technologie
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