L'aérodynamique, principes fondamentaux
Sur une Formule 1, l'aérodynamique est un facteur des plus importants, avec le moteur et l'ensemble de l'électronique embarquée. Pourquoi, et bien tout simplement pour permettre à la voiture d'aller le plus vite possible, non pas en ligne droite où la puissance brute suffirait, mais dans les virages. Le but étant d'obtenir des vitesses de passage les plus élevées possibles.
Avant d'expliquer les principes fondamentaux de la dynamique, il faut préciser quelques définitions.
Tout corps en mouvement dans l'air est naturellement soumis à quatre forces, agissant sur celui-ci deux à deux :
- la traînée
- la poussée
- la portance
- l'appui
- La traînée est une force parallèle au sol qui s'oppose à la progression du corps (résistance à l'avancement). L'objectif des ingénieurs est de minimiser cette force le plus possible.
- La poussée est bien entendu fournie par le moteur. Au départ, la poussée augmente et dépasse momentanément la traînée : la voiture accélère. Si la poussée est stoppée, la traînée augmente alors, rattrape la poussée au bout d'un certain temps, la monoplace cesse d'accélérer et se déplace à vitesse constante.
- La portance est la force de direction verticale et dirigée vers le haut, qui a tendance à faire s'élever le corps. En Formule 1, elle est bien sûr le principal ennemi, et tous les développements aérodynamiques de la voiture ont pour objectif de l'éliminer.
- Enfin, l'appui aérodynamique, qui s'oppose à la portance. C'est lui qui "scotche" une F1 au sol et lui permet des vitesses de passage en virages aussi élevées. C'est sur cette force que toutes les études se portent, afin de construire une voiture qui produise le plus d'appui possible (en règle générale car il existe des cas particuliers, le Grand Prix d'Italie par exemple, où là au contraire les ingénieurs recherchent le moins d'appui possible, le circuit de Monza étant ultra-rapide).
L'appui aérodynamique naît d'une différence de pression entre les deux faces d'un aileron.
A l'origine de ce phénomène, on trouve la vitesse des molécules d'air
qui se déplacent le long des surfaces : lorsque deux d'entre elles arrivent au même moment sur le bord d'attaque de l'aileron, puis que l'une
passe par la face supérieure et l'autre par la face inférieure, elles sont censées se retrouver en sortie (voir figure ci-dessous). Or, le "chemin" à parcourir
par la première est plus court que celui de la seconde. Leur vitesse est donc différente, plus lente sur la partie supérieure de l'aileron
que sous la partie inférieure. La différence de pression ainsi créée (pression plus basse sous l'aileron qu'au dessus) génère de l'appui (principe de Bernoulli).
En gros, un aileron de Formule 1 fonctionne comme une aile d'avion mais inversée. Au lieu de vouloir faire décoller la voiture, il a pour but de coller celle-ci au sol.
On pourrait alors penser qu'il faille braquer un aileron au maximum pour générer l'appui maximum. Erreur, car dans ce cas, le chemin à parcourir pour les molécules qui passent sous l'aileron est trop long, et celles-ci se "perdent" avant de rencontrer leurs homologues. On constate alors une chute de l'appui aérodynamique. L'astuce consiste alors à utiliser plusieurs ailerons superposés. Ainsi, les molécules qui passent par le chemin inférieur de l'aileron le plus haut sont "dopées" par celles qui empruntent le chemin supérieur de l'aileron situé juste en-dessous du premier.
Et c'est là que l'on voit intervenir la relation "appui-traînée", fondamentale en aérodynamique. Plus l'on rajoute d'ailerons, et plus on crée de traînée, ce qui va évidemment pénaliser la voiture. On parle alors de compromis idéal à trouver, surtout sur certains circuits exigeants vitesse de pointe élevée et appui relativement important pour une partie sinueuse. Ce compromis est très difficile à trouver, sachant qu'il existe environ une vingtaine de possibilités de réglage de l'aileron arrière, et une centaine pour l'aileron avant !
A noter que l'appui variant en fonction du carré de la vitesse, ainsi une faible augmentation de celle-ci crée une très forte augmentation d'appui. D'où un phénomène assez impressionant : si une Formule 1 ne passe pas un virage à fond à une vitesse donnée (à cause d'un appui trop faible), elle pourra peut-être le faire à une vitesse supérieure !
