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 sont 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

 


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 (peu ou beaucoup 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


                                                            

                                               

                                                                           Circuit lent   /Circuit rapide

 

 

 

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).


 


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-dessous, 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 important 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. A 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).


 

 

 


L'aileron avant

 

Pourquoi des nez hauts en Formule 1 ? Il suffit de regarder le schéma ci-dessous (mouvement de l'air à l'avant) pour comprendre son intérêt. Il envoie plus d'air sous la voiture, ce qui a pour effet de mieux coller à la piste (même principe que pour l'aileron). D'ailleurs, les aérodynamiciens n'hésitent pas à comparer l'ensemble de la voiture comme un énorme aileron). On comprend également mieux le soin apporté au casque du pilote, qui détermine entièrement la quantité d'air qui entre dans la prise d'air, située au-dessus du pilote. On voit aussi que les roues avant, dont le carénage est interdit, créé la majeur partie des perturbations. Pourtant, lorsque l'air arrive à l'aileron arrière, il doit être complètement dégagé des flux qui peuvent perturber pleinement le fonctionnement. Cet aileron est divisé en 4 parties principales :


1. Le grand profil qui est la base de tout l'aileron

2. Le petit profil qui fera dévier l'air vers les radiateurs de côté

3. Le petit profil vertical qui aura en général le même rôle que les côtés de l'aileron arrière

4. Le nez sur qui tout est attaché (voir les images suivantes)


 


                                                                Aileron avant


 


                   Mouvement de l’air à l’avant                                      museau

 

 

                                   Déviation de l’air selon la forme du petit profil vertical   


 

 

 


                                            Différentes formes de petit profil vertical

 

 

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

 


 


                                                            différentes formes de déflecteur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'effet de sol

 


Il n'y a cependant pas que les ailerons qui peuvent donner de l'appui à la monoplace. Le dessous de la voiture, appelé "fond plat" est aussi très travaillé pour permettre à l'air de sortir plus vite qu'il n'y est entré, ce qui créé une dépression sous la voiture, lui permettant alors de coller à la piste. On appelle cela l'effet de sol. Depuis 1994, une planche en bois a été imposée sous le fond plat pour surélever la voiture et atténuer la tenue de route car les ingénieurs avaient inventé la jupe aérodynamique qui était un grand appendice sous la voiture qui emprisonnait l'air et qui produisait une succion tellement grande que même les forces G ne pouvaient décoller la voiture du sol, ce qui entraînait souvent des cassures qui pouvaient provoquer un grave accident ; et si la voiture décollait un peu du sol, elle se mettait à voler, ce qui était encore plus dangereux pour le pilote.


                 

 

 



    Mouvement de l'air sous la voiture provoquant l'effet de sol


       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


         

La soufflerie

 

Un dernier aspect de l'aérodynamisme qui est très important est la soufflerie. C'est une pièce aménagée spécialement pour tester l'écoulement de l'air sur la carrosserie et toutes les appendices aérodynamiques. Tout le développement à ce niveau se fait ici car toutes les meilleures écuries possèdent une soufflerie privée. C'est très dispendieux et seules les écuries les plus riches peuvent se permettre d'en posséder une. Les autres se doivent d'en louer une de temps à autre sinon elles ne pourront pas suivre les plus performants et ils seront condamner à disparaître, car il faut souligner que pour qu'un constructeur ait le droit de faire courir sa voiture lors du Grand Prix, elle doit absolument être dans les 107% du temps de qualification de la voiture la plus rapide. Une voiture pas suffisamment performante se verra refuser le départ (cela arrive assez fréquemment à Minardi). En bref, sans soufflerie on ne va nulle part.


 


Soufflerie pour formule 1
Remarquez l'écoulement de l'air au-dessus de la voiture.

 


 

 

 


Diagramme qui montre l'écoulement de l'air
Remarquez la turbulence à l'arrière.

 

Emmanuel, Baptiste, Antoine