L’aérodynamique
Coller à la piste
Sans l’appui aérodynamique, une F1 devient totalement incontrôlable. La figure 1 introduit bien les différents appuis spécialement étudiés pour chaque circuit. Ici nous pouvons voir les ailerons arrière qui fournissent le principal appui aérodynamique, un étudié pour l’ancien circuit d’Hockenheim où les lignes droites sont omniprésentes et un autre pour Monaco, circuit urbain à fort appui.
Figure 1– Appuis aérodynamiques spécifiques pour Monaco et Hockenheim
L’aérodynamique a pour but d’analyser les flux d’air autour de la carrosserie (Fig. 1.1) afin d’optimiser la pénétration de la voiture dans l’air. Ces derniers temps on voit apparaître de nombreux petits ailerons de part et d’autres de la carrosserie pour optimiser la tenue de route des voitures.
Figure 1.1 – Le flux d’air autour de la voiture
Cette science suit des lois physiques qui peuvent être résumé en quelques équations :
Tout d’abord le premier appui généré par la voiture est dû aux pneus qui créent une force horizontale.
Force horizontale = Force verticale x µ max
avec µ max le coefficient maximum de frottement des pneus.
La force verticale est exprimée par
Force verticale = M x g
avec M la masse associé aux pneus et g l’accélération due à la gravité.
L’accélération que cette force peut générer sur la masse est
Accélération = F horizontale / M = (M x g xµ max) / M = g x µ max.
L’accélération maximum dépend du coefficient de friction maximum de friction qui lui-même dépend de la masse, donc en rajoutant de l’appui aérodynamique les équations deviennent
Force verticale = (M x g) + appui aérodynamique
Accélération = [[(M x g) + appui aérodynamique] x µ max] / M
L’appui est fonction de la vitesse. Plus la voiture rencontre de l’air, plus la résistance à l’avancement est importante. D’un autre côté, elle bénéficie d’avantage d’appui. L’appui croît de manière exponentielle avec la vitesse. La Figure 1.2 montre la quantité d’appui générée par un aileron arrière de taille moyenne tel qu’on l’utilise généralement à Barcelone.
Deux données entrent en compte qui sont appui aérodynamique et traîné avec lesquels les ingénieurs essaient de faire un compromis. Plus il y a d’appui plus la traînée est importante.
Figure 1.2 – L’appui en fonction de la vitesse
Tableau 1– Appui et traînée en fonction de la surface des ailerons
Les ailerons arrière produisent approximativement 30 à 35% de l’appui aérodynamique total pour 25 à 30% de la traînée totale de la voiture.
Pour les ailerons avant l’appui est moindre. Il est environ de 25 à 30% de l’appui aérodynamique total pour une traînée de seulement 4%. Pour augmenter leur appui on rajoute des ailerons de type Gurney qui augmentent la stabilité de la voiture (Fig. 1.3).
Figure 1.3 – Les ailerons supplémentaires à l’avant
Tableau 1.1 – Les données principales de l’appui aérodynamique en 2001
Le Tableau 1.1 a pour rôle de réunir les coefficients de l’aérodynamisme qui sont le coefficient d’appui noté Cz, le coefficient de traînée noté Cx ainsi que l’efficacité, la vitesse en km/h et l’appui totale en kg. Toutes ces données sont d’abord testées puis validées en soufflerie, ce qui représente une bonne partie du budget ‘test’ d’une écurie. D’ailleurs, les dernières souffleries modernes sont chez Ferrari et bientôt chez Sauber. Celle de Ferrari permet de simuler les voitures dans les virages, ce qui a permis de voir naître la carrosserie de la F 2003 GA, tandis que pour Sauber on pourra mettre 2 voitures en ligne pour simuler les turbulences crées à l’arrière de la première voiture et en voire les conséquences sur la seconde. Il est certain que la concurrence s’alignera sur ces dernières technologies dans peu de temps.
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