Dimanche 18 juin 2006

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.

 

    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 seule force qui existe est donc celle due poids de l'eau hors pour un verre de 10cm de haut, celle force est environ 100 fois plus faible que la pression extérieure qui maintient la feuille de papier plaquée contre le verre. Si la pression atmosphérique, dont la valeur est pourtant minime (environ 1Kg/cm²),  peut faire ça alors imaginez la force créée 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 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.

Pour aller plus loin : L'aérodynamique d'une Formule 1
par Sywel publié dans : Dossier Tech'
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Commentaires

Pour rajouter quelques détails,  le principe de l'aileron est le même que celui d'une aile d'avion juste qu'on a inversé l'endroit où se passe la dépression. Et si voulait un ordre d'idée sur l'appui aerodynamique géneré par une F1 sachez qu'une F1 qui roule à 300km/h peut rouler sur un plafond sans tomber.
Commentaire n° 1 posté par intel le 19/07/2006 à 13h33
Merci de ton commentaire, le parallèle entre une aile d'avion et l'aileron d'une F1 est déjà évoqué dans l'article.
Et concernant l'idée reçue selon laquelle une F1 peut rouler au plafond, elle est parfaitement vraie d'un point de vue purement aérodynamique, mais dans la réalité le moteur n'est pas fait pour rouler à l'envers et l'essence n'arriverai pas. Ce n'est donc pas demain la veille qu'on verra rouler une F1 au plafond !
Réponse de Team Femin-F1 le 19/07/2006 à 13h37
Salut, Je vois quelques objections à vos explications : Pour l'explications du flux d'air, identique au cas d'une ail d'avion, voir ici : http://users.skynet.be/vdp3f/portance.htm Dans ce paragraphe : "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.", vous avez l'air de dire que plus une voiture est lourde, plus elle ira vite en virage car elle est mieux plaquée au sol. C'est oblier que l'inertie s'applique aussi en virage, que la force dite 'Centripete' est proportionelle à la masse de la voiture (comme le poids). Sonc l'augmentation du poids ne fait pas gagner en vitesse de passage en courbe. " 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." Au contraire, je dirais plustôt que c'est ce que l'on ne veut pas mais on ne peut pas faire autrement. (compte-tenu des contraintes physiques et du règlement). L'idéal serait une voiture qui n'ai pas d'apuis en ligne droite (=> pas de trainé) et qui en ai en virage. C'est en partie possible en utilisant des aileront flexibles dont l'incidence diminue avec la vitesse, mais le règlement l'interdit (à ma connaissance)
Commentaire n° 2 posté par Christophe MORTIER le 19/11/2007 à 01h05

Merci de ta remarque. 
La phrase était ambigue donc je l'ai modifiée, mais elle parlait de l'inertie, que l'on veut la plus faible possible en virage, et non pas de l'appui aérodynamique, qui doit bien sûr être maximal en courbe pour pouvoir aller le plus vite possible.
Et merci pour ta précision sur les ailerons flexibles.


Réponse de Team Fémin-F1 le 19/11/2007 à 16h59
Bonjour,
je suis assez d'accord avec votre article, mais il y a quelque chose qui me dérrange... c'est l'expérience avec le verre d'eau.

Losque vous dites qu'il n'y a pas de pression dans le verre ceci est une erreur, car si nous écoutons M. Bernoulli, il y a la pression de l'eau qui est plus importante que la pression de l'air ( ro.g.h ). Dans ce cas vous allez me demander pourquoi la feuille ne tombe pas si il y a un plus grosse pression au dessus de la feuile ... la réponce réside dans les force d'interface, connu aussi sous le nom de tension de surface et pont capillaire.

Bonne continuation

Bouyoux
Commentaire n° 3 posté par Bouyoux le 15/11/2008 à 12h14
Bonjour,
Merci pour ton commentaire.

Notre expérience est bien correcte. Certes dire que la pression est nulle dans le verre est inexacte car il y a bien une force qui s'exerce dans le verre et qui est égale au poids de l'eau, mais ce poids est plus faible que la force de la pression atmosphérique d'environ 100 fois dans le cas d'un verre d'eau.
Pour t'en convaincre tente l'expérience, tu verra que la feuille se plaque contre le verre d'eau. Si la tension de surface jouait un rôle on verrai que la feuille ne se plaque pas totalement sur le bord du verre mais qu'il y aurai "un joint" d'eau assurant la cohésion de l'ensemble. Hors il n'en est rien.

Pour avoir plus de détail sur les principes de cette expérience je te recommande cet article : CultureSciences-Physique : Forces de pression
Réponse de Marnie le 20/11/2008 à 09h33
Salut,
je suis en première et je fais un TPE sur l'aérodynamisme où j'étudie en particulier la F1 , et je ne comprend pas bien pourquoi la portance serait plus élevée dans les virages... ?
Commentaire n° 4 posté par Justine le 26/02/2009 à 13h06
Bonjour Justine,
je ne comprends pas très bien ta question, en F1 la portance est à proscrire absolument tout est fait pour que les ailerons produisent de l'appui pas de la portance. (Sinon la F1 risque de décoller !!)
Si tu voulais dire appui au lieu de portance, l'appui ne sera pas plus élevé en ligne droite ou dans un virage à la même vitesse. Seulement c'est dans les virages que l'appui aéro est crucial pour les F1 car une voiture dont l'aéro génère une charge importante aura plus d'adhérence. D'où le semblant de paradoxe : un virage pris à faible vitesse ne passe pas car la voiture n'ayant pas assez d'appui dérape mais le même virage pris à haute vitesse passe car l'appui est plus élevé et donc l'adhérence.
J'espère avoir répondu à ta question, n'hésites pas si tu en as d'autres.
Réponse de Marnie le 28/02/2009 à 23h27
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