Aérodynamique

Introduction:

La Formule 1 est une discipline de sport automobile qui trouve son origine en Europe au début du XXème siècle. Aujourd’hui, elle est considérée comme la catégorie reine de ce sport et figure sur le podium des évènements sportifs les plus médiatisés aux côtés des Jeux Olympiques et de la Coupe du monde de football.

En effet, les Grands Prix de Formule 1 réunissent chaque week-ends plusieurs dizaines de millions de téléspectateurs à travers le monde. Au cours des différentes saisons, on constate que les monoplaces évoluent et arborent de nouvelles carrosseries avec une livrée différente ainsi qu’un moteur plus performant.

Outre le caractère esthétique, nous sommes en droit de nous demander si les évolutions du carrossage des monoplaces n’auraitent-elles pas une cause plus technique? Dans cette article, nous allons donc nous intéresser à l’aérodynamique des Formules 1, afin de montrer qu’il s’agit de l’un des principales enjeux de performance. Autrement dit, nous allons essayer de comprendre pourquoi les Formules 1 sont passées de la Figure 1 à la Figure 2.

Explications:

Intuitivement, on comprend assez facilement que certaines formes géométriques sont plus aérodynamiques que d’autres. Ce que l’on sous-entend par cette phrase c’est que si l’on soumet un cube et un corps profilé à un même flux d’air, il nous semble évident que le cube sera moins aérodynamique que le corps profilé. Autrement dit, que le cube aura une quantité d’impact avec les molécules présentes dans l’aire plus élevée que celle du corps profilé, c’est-à dire une pénétration dans l’air moins efficace (voir Figure 3). Ce que la physique de la mécanique des fluides nous suggère c’est que lorsqu’un objet évolue dans fluide avec une certaines vitesse, il est soumis à une force de frottement fluide qui s’applique en son centre de masse est qui est opposée au sens du mouvement (c’est une force dite résistive). De plus, selon que la vitesse soit élevée ou non, l’expression de la force de frottement fluide n’est pas la même. Dans le cas des régimes de vitesses élevées, il y a un terme qui entre en compte, il s’agit du coefficient de trainée. Et c’est exactement cela qui nous permet de comprendre le caractère plus ou moins aérodynamique d’un corps se déplaçant à grande vitesse dans un fluide. 

Nous pourrions donc expliquer grâce à cette première approche l’intérêt de l’aérodynamique pour les Formules 1. 

En effet, l’objectif premier d’une F1 est de compléter un tour de circuit le plus rapidement possible. Pour cela, il faut donc maximiser la vitesse en ligne droite et dans les virages. Ainsi, l’objectif des ingénieurs et de trouver le bon compromis avec les appendices aérodynamiques pour aller le plus vite possible dans les virages sans trop freiner la monoplace dans les lignes droites afin d’avoir une vitesse de pointe élevée. On comprend alors que l’aérodynamique est importante car elle permet de stabiliser la monoplace. Lorsqu’elle se déplace à grande vitesse, elle est soumise à une force de frottement fluide qui la « plaque au sol ». D’où l’intérêt de la présence des ailerons avant et arrières qui contribuent à maintenir les F1 en adhérence, ce qui leurs permet d’atteindre des vitesses très élevées dans de longues courbes, car l’appuie généré par l’air sur la carrosserie varie proportionnellement selon le carré de la vitesse. 

D’autre part, il existe un dispositif présent sur l’aileron arrière nommé DRS pour « Drag Reduction System », signifiant littéralement système de réduction de trainé, qui permet comme son nom l’indique, d’amoindrir la résistance à l’air. Ce dispositif consiste à ouvrir un volet arrière de l’aileron, permettant alors de diminuer la surface de contact à l’air pour maximiser la vitesse de pointe et potentiellement dépasser la voiture de devant (voir Figure 4).

De même, il existe plusieurs dizaines d’éléments aérodynamiques sur les monoplaces qui ont tous une utilité qui leur est propre, tels que les déflecteurs qui permettent de diriger l’air vers les radiateurs pour refroidir le moteur, ou encore le fond plat qui contribue à la stabilité de la F1 sur la piste.

De plus, tous ces éléments aérodynamiques rendent le comportement des Formules 1 assez paradoxal. En effet, lorsque nous conduisons une voiture, il nous parait évident de ralentir (plus ou moins) quand on approche un virage. Au contraire, les pilotes de F1 doivent dans certains cas maintenir leur vitesse voir même accélérer. Ceci s’explique encore une fois par le fait que la force de frottement fluide est proportionnelle au carré de la vitesse du système en déplacement. Dit autrement, cela signifie que dans certains longs virages, si les pilotes passent à 200km/h au lieu de 300km/h, il peuvent effectuer un « tête-à queue » car la force de frottement générée à 200km/h est insuffisante. (Ces valeurs numériques sont simplement données à titre d’exemple et ne correspondent pas à des valeurs mesurées.)

D’autre part, on pourrait également citer le fait que les F1 puissent théoriquement rouler « à l’envers » à partir de plus de 180km/h.

Néanmoins, bien que le rôle de toutes ces inventions semble « logique », il est nécessaire de préciser que dans la pratique il est assez compliqué d’étudier des systèmes à notre échelle en mouvements dans des fluides. En effet, la branche de la physique qui rassemble ces problématiques est la mécanique des fluides, et dans certains cas, la résolution de ces problèmes nécessite obligatoirement une assistance numérique car la détermination exacte des solutions nous est encore impossible. Par exemple, il y a plusieurs problèmes ouverts en mécanique des fluides tels que la résolution des équations de Navier-Stokes qui sont indispensables dans ce domaine. 

D’autre part, bien que la résolution de certaines équations soit ardue, il y a d’autres contraintes. Nous pouvons compter parmi elles la recherche de matériaux capables de subir des forces de pression de l’ordre de la tonne sans casser et sans se déformer totalement. Actuellement la fibre de carbone est le matériaux le plus complet trouvé à ce jour car il est à la fois très léger et très résistant lorsqu’il est renforcé avec du kevlar ou de l’aluminium. 

Finalement, voici une piste d’explication sur l’importance de l’aérodynamique dans la catégorie la plus exigeante du sport automobile.

Quant au futur de la F1, nous pouvons nous attendre à des avancées dans l’aérodynamique dues à des découvertes en physique et en science des matériaux. Ces dernières rapprocherons un peu plus le monde de la course automobile des limites physique de ce monde.  

Matthieu Etomba