L'aérodynamisme

1. Les appendices aérodynamiques
2. L'appui aérodynamique
3. L'aileron avant
4. L'aileron arrière
5. Les déflecteurs
6. Le diffuseur
7. Les winglets
8. Les ailettes ou «fins»
9. Les «barge boards»
10. Les petits ailerons centraux
11. Les pontons
12. L'effet de sol
13. La charge verticale
14. La soufflerie
15. Le banc à vérins
16. Le système de réduction de traînée aérodynamique (DRS)

Pour comprendre l’importance de l’aérodynamisme, on doit passer en revue plusieurs concepts en ingénierie et savoir quels éléments entrent en jeux.

1 - Les appendices aérodynamiques

Les appendices aérodynamiques tels les ailerons avant et arrière, permettent de « coller » à la route grâce aux appuis aérodynamiques qu'ils génèrent. Ceux-ci donnent plus d'adhérence en virage à la voiture en augmentant la charge verticale, mais font chuter la vitesse de pointe en ligne droite en générant des efforts de traînée. Un aileron est un peu comme une aile d’avion inversée et chaque appendice, tels les déflecteurs de côté, le pare-brise (petit) et même le volant qui doit avoir une forme aplatie sur le dessus, joue son rôle dans la déviation de l’air afin que la voiture puisse « glisser » dans l’air, car plus la vitesse augmente, plus la résistance de l’air augmente et les ingénieurs en soufflerie tentent de trouver la forme parfaite tout en respectant des normes précises :

Largeur de la voiture : 180 cm

Longueur de la voiture : non réglementée

Largeur de l’aileron avant : 140 cm

Longueur de l’aileron avant : 120 cm

Largeur de l’aileron arrière : 100 cm

Longueur de l’aileron arrière : 50 cm

2 – L’appui aérodynamique

Plus un aileron est braqué plus il offre de résistance au vent et donc à l'avancement de la monoplace (une force: c'est la traînée). Mais il procure également plus d'appui à la voiture, lui permettant de passer plus vite dans les virages: c'est la déportance. L'appui progresse en fonction du carré de la vitesse, soit environ 150 kg à 100 km/h, 600 kg à 200 km/h et plus de 1,5 tonne à 300 km/h. Ces valeurs sont bien évidemment en fonction de l'angle de braquage de l'aileron (figure 1). Cet  appui est tellement efficace qu’une monoplace pourrait rouler sur une piste complètement  inversée (la tête en bas).

Figure 1	Figure 2	Figure 3
Figure 4	Figure 5	Figure 5a

Lorsqu'une F1 est en mouvement une mince pellicule d'air se colle à sa carrosserie. C'est sur cette couche alors formée que les particules d'air glissent et génèrent ainsi de l'appui (figure 2).

Le principe régissant les lois aérodynamiques d'une F1 est simple. Comme en aéronautique, il repose sur la relation qui unit pression et vitesse de l'air de chaque côté d'un aileron. Sur le schéma ci-dessus, on a représenté deux molécules d'air, A et B qui se présentent ensembles devant une lame d'un aileron de la voiture. L'une, la A, passe par en haut, et l'autre, la B, passe par en dessous. Bien que le chemin de la Molécule B soit plus long, les deux molécules se présentent ensemble à la sortie de l'aileron, ce qui prouve que la molécule B s'est déplacée plus vite que la A, créant ainsi une dépression qui génère de l'appui (figure 3).

Les facteurs importants sont donc: la densité de l'air, la vitesse de la voiture, et la pression statique (qui correspond à peu près à la pression atmosphérique).

En conclusion, les deux faces d'un aileron sont importantes. En effet, la face supérieure subissant une forte pression, l'aileron est attiré vers le bas, procurant en conséquence de l'appui. La face inférieure, quant à elle, subit une dépression qui tend de la même façon à attirer l'aileron vers le bas. Cependant les flux aérodynamiques ont des limites: si l'aileron est trop braqué, la molécule B refuse de suivre le trajet normal, le long de l'aileron, et se perd dans une zone de turbulence: la traînée aérodynamique (figure 4).

Pour cette raison, les ailerons des monoplaces ne sont pas réalisés d'une seule pièce mais d'une succession de petites dérives: l'air ne peut donc pas s'égarer et est réinjecté en permanence. Ainsi, il ne perd pas son énergie (figure 5 et 5a).

Pourquoi porte-t-on autant d'intérêt aux détails de la carrosserie ?
La moindre antenne ou tête de vis protubérante peut avoir de réelles conséquences sur les performances. À titre d'exemple, une bille (en rouge sur le schéma suivant) génère autant de traînée que le profil de l'aileron ! C'est pourquoi la carrosserie doit être parfaitement lisse et ne doit comporter aucun élément perturbateur de l'aérodynamique générale de la monoplace (figure 6).

3 – L’aileron avant

4 – L’aileron arrière

L'aileron arrière est la partie de la monoplace qui lui procure le maximum d'appui. Mais en conséquence, il génère des turbulences importantes (en rouge : mouvement de l’air à l’arrière) qui nuise à l'efficacité générale, et ce quel que soit le braquage utilisé (beaucoup ou peu d'appui). Le but est donc de réduire au maximum ces turbulences sans nuire à l'appui procuré par l'aileron. On remarque aussi les petits ailerons devant les roues arrières, qui sont plutôt destinés à éviter les turbulences et la résistance qu'elles pourraient générer. Cet aileron est composé de 3 éléments : 1- Les dérives qui est la partie principale qui produira l’adhérence de la voiture, 2- Une partie plus basse qui guide l’air vers les dérives en plus de produire de l’adhérence, 3- Les côté qui permettent de garder le tout ensemble et d’empêcher l’air de s’échapper par les côtés, ce qui créera une forte pression aidant à l’adhérence de la voiture (figure 7).

Mouvement de l’air à l’arrière

Figure 7

L’aileron arrière est très peu braqués pour un circuit rapide car son efficacité est pour les zones lentes (virages) et le contraire pour un circuit lent. Les images suivantes démontrent les différences de braquage.

Circuit lent  -  Circuit rapide

Circuit rapide  -   Circuit lent

En 2011, la FIA a permit l'apparition de L'aileron arrière mobile afin de réduire les effets de turbulence lors des dépassements. Ce phénomène est marqué de façon directement proportionnelle selon la vitesse de la voiture (plus elle va vite, plus les turbulences sont importantes). C'est le pilote qui activera cet aileron avec un bouton au volant selon la procédure suivante:

L'augmentation de la taille de la fente entre les 2 parties de l'aileron (entre 10 et 50mm) provoque une diminution de la traînée et augmente la vitesse maximale entre 5 et 15 km/h selon la longueur de la ligne droite. L'aileron pivote à l'aide d'un mécanisme électrique ou hydraulique qui soulève la partie avant du volet, appelé bord d'attaque, qui pivotera selon un point arrière, situé près du bord de fuite. L'aileron reprend sa position initiale lorsque le pilote appuie sur les freins. La FIA doit d'abord envoyer un signal au pilote afin de lui permettre cette manoeuvre car elle est restreinte (on ne peux l'utiliser à l'intérieur des 2 premiers tours d'une course ou d'une relance et la position d'ouverture pourra varier selon le circuit). Le pilote qui veux doubler doit être à l'intérieur de la seconde d'écart avec celui qui le précède.

Turbulences Vues par le Flux d'Eau

Traînée Aérodynamique

Aileron Mobile Fermé/Ouvert

Aileron Mobile Vue Arrière

Aileron Mobile Vue de Profil

5 - Les déflecteurs

Le déflecteur se situe généralement de chaque côté de la voiture, juste devant les radiateurs (parfois incrusté aux éléments de suspension). Leur but est de diriger l’air autour de la voiture et vers les radiateurs. Ils réduisent cependant la volume d’air vers les radiateurs gênant au refroidissement du moteur mais améliorent l’aérodynamisme et ainsi augmentent la vitesse. Il faut donc faire un compromis entre les deux.

Déflecteur

Différents types de déflecteurs

Williams et Jordan utilisent des déflecteurs différents. Ils sont situés entre les roues avant et le châssis, c’est-à-dire, entre les bras de suspension. Le dispositif de Jordan est assez complexe autour des bras de suspension mais fixé au châssis, alors que celui de Williams est plus simple mais fixé directement dessus.

Jordan

Williams

En rouge, premier type de déflecteur; en bleu, deuxième type.