À quoi sert l’aileron avant d’une Formule 1 ?

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Les ailerons avant des voitures de F1 jouent un rôle essentiel dans la production de la force d’appui, mais elles ont pris différentes formes et tailles au fil des ans. Les modifications apportées à la réglementation aérodynamique en 2022 ont radicalement changé l’aspect des ailerons avant, ainsi que la manière dont elles sont utilisées pour aider les voitures à rouler si vite sur un circuit.

Les ailerons avant des F1 sont des éléments clés qui génèrent de la force descendante et guident le flux d’air sous, au-dessus et autour de la voiture. Bien que les changements de règles de 2022 aient simplifié les ailerons avant de la F1 dans une certaine mesure, elles produisent toujours une grande force d’appui et constituent l’une des parties les plus importantes de la voiture.

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Les ailerons avant actuels de la F1 sont très différents de ceux que nous avons connus par le passé. Bien qu’elles jouent toujours un rôle clé dans la production d’appui aérodynamique, elles ont beaucoup évolué ces dernières années et je les examine de plus près ci-dessous.

Fonctionnement des ailerons avant des voitures de F1

Les ailerons avant des voitures de F1 contribuent à générer une force descendante et à distribuer et influencer le flux d’air au-dessus, au-dessous et autour de la voiture. Les ailerons avant des voitures de F1 génèrent une force d’appui en créant une zone de haute pression au-dessus de l’aileron et de basse pression en dessous. Cependant, elles génèrent également de la force d’appui par un effet de succion, appelé effet de sol.

Examinons chacun de ces éléments plus en détail afin de comprendre exactement comment cela fonctionne.

Comment les ailerons avant des voitures de F1 génèrent-elles de l’appui ?

La première façon dont les ailerons avant des voitures de F1 génèrent de la force d’appui, et la plus couramment évoquée, consiste à créer une différence de pression au-dessus et au-dessous de l’aile. Pour comprendre comment, nous devons parler de trois choses :

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  • le principe de Bernoulli
  • L’effet Venturi
  • L’équation de continuité
  • Je vais simplifier certaines choses ici, mais cela devrait permettre d’expliquer comment les ailerons avant génèrent de la force portante.

Le principe de Bernoulli

Le principe de Bernoulli, en termes simples, stipule que lorsque vous augmentez la vitesse d’un fluide, vous diminuez sa pression. L’air est considéré comme un fluide, et donc si vous accélérez l’air, vous pouvez réduire sa pression. L’effet Venturi permet d’illustrer ce principe.

L’effet Venturi

L’effet Venturi est la réduction de pression observée lorsque vous envoyez un fluide (comme l’air) à travers un rétrécissement (généralement représenté par un tuyau, selon le diagramme ci-dessous).

effet venturi

Comme nous le savons grâce au principe de Bernoulli ci-dessus, cela est dû au fait que l’air s’accélère à travers le rétrécissement, ce qui réduit sa pression. Mais pourquoi accélère-t-il ?

L’équation de continuité

L’équation de continuité stipule essentiellement que la quantité de fluide introduite à une extrémité doit ressortir à l’autre. En termes plus complexes, le produit de la section transversale et de la vitesse d’un fluide en tout point d’un tuyau (ou d’un autre système fermé) est constant. En d’autres termes, la vitesse du fluide multipliée par la section du tuyau est constante en chaque point. Mais en quoi cela est-il important pour une aileron avant ?

Nous pouvons considérer que le trajet que l’air peut emprunter lorsqu’il frappe une aileron avant est à la fois long et court. En raison de la forme de l’aile, l’air qui passe par le haut parcourt une distance plus courte que l’air qui passe par le bas. L’équation de continuité nous dit que la quantité d’air entrant à l’avant doit être égale à la quantité d’air sortant à l’arrière.

Pour que cela soit vrai, l’air qui emprunte le chemin le plus long (sous l’aile) doit accélérer. Le principe de Bernoulli nous apprend que cela signifie que sa pression va diminuer. Cela crée une différence de pression au-dessus de l’aile, avec de l’air à haute pression au-dessus et de l’air à basse pression en dessous. Cela « pousse » l’aile vers le sol, générant ainsi une force d’appui.

D’accord, mais où le Venturi et les effets de sol entrent-ils en jeu ?

Utilisation de l’effet de sol

Plus une surface aérodynamique est proche du sol, plus elle génère de la portance (d’où l’expression « effet de sol »). Dans le cas d’un avion, cette portance pousse l’avion dans les airs. Mais sur une voiture de F1, l’aile est « inversée », ce qui signifie qu’elle ne génère pas plus de portance à mesure qu’elle se rapproche du sol, mais qu’elle génère plus de force descendante (parfois appelée portance négative).

Cela est dû au fait que la partie de l’aile proche du sol agit comme un rétrécissement dans un tuyau. Il s’agit de l’effet Venturi, la pression diminuant car l’air doit accélérer pour passer à travers le rétrécissement. Cette baisse de pression a un effet d’aspiration, « tirant » la voiture plus près du sol, ce qui augmente la force portante.

Autres rôles de l’aileron avant

Mais l’aileron avant n’est pas le seul à générer de la force d’appui de cette manière, car le plancher est également une zone extrêmement importante (en fait, la plus importante en termes de production globale de force d’appui). Des tunnels Venturi y sont creusés pour mieux exploiter l’effet de sol, mais l’aileron avant joue un rôle clé dans le contrôle de la quantité d’air qui pénètre dans cette partie de la voiture.

Le relèvement de l’aileron avant réduit l’efficacité de l’aileron à produire de la force d’appui via l’effet de sol, mais il permet d’utiliser davantage de flux d’air sous la voiture pour augmenter la production de force d’appui via le plancher et, éventuellement, le diffuseur. Il y a donc des compromis à faire, et différents rôles sont joués par l’aileron avant d’une voiture de F1.

Mais examinons maintenant un autre élément clé de l’aileron avant, avant de voir en quoi les ailerons actuels diffèrent de ceux utilisés dans le passé.

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Quel est le rôle des dérives de l’aileron avant sur les F1 ?

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Les dérives d’aileron avant des voitures de F1 empêchent le flux d’air de s’écouler sur les côtés de l’aile et de passer sous celle-ci. Si l’air pénètre sous l’aile, cela limite son efficacité à produire de la force d’appui et peut générer des tourbillons d’air incontrôlables qui perturberaient les composants aérodynamiques situés plus en arrière (je reviendrai sur les tourbillons dans la section suivante).

Même si elles semblent petites et insignifiantes par rapport au reste de l’aile, la moindre détérioration d’une plaque d’extrémité peut entraîner une baisse massive des performances d’une voiture de F1.

Remarque : la perte d’appui varie d’une voiture à l’autre et en fonction de l’étendue des dommages. Charles Leclerc s’est exceptionnellement bien comporté lors du GP de Grande-Bretagne 2022 malgré la perte totale de l’une de ses dérives d’extrémité !

Les dérives d’aileron avant actuelles de la F1

Les dérives des ailerons avant actuelles sont très différentes de celles des générations précédentes. Les nouvelles dérives d’extrémité simplifiées visent à rediriger l’air vers les ailerons situés au-dessus des pneus et sur les enjoliveurs de roues, ce qui éloigne l’air de la voiture qui suit.

Je reviendrai plus loin sur les modifications apportées aux ailerons avant à la suite des changements apportés à la réglementation aérodynamique 2022. Mais il convient de mentionner ici que la conception actuelle des dérives d’extrémité est un véritable casse-tête pour les aérodynamiciens de F1, car elles ne sont pas aussi capables que celles des voitures précédentes de produire des tourbillons utiles (voir la section suivante pour en savoir plus sur ces tourbillons).

Ces tourbillons servent à éloigner l’air turbulent des pneus avant des autres composants aérodynamiques situés à l’arrière de la voiture. Les règles ont réduit ces tourbillons à la fois en nombre et en efficacité, et en ce qui concerne l’aileron avant en particulier, elles ont également supprimé la plaque de pied, qui était un générateur de tourbillons très utile à l’extérieur de la plaque d’extrémité.

Mais avant d’entrer dans le détail de la plaque d’extrémité et des changements de règles de 2022, voyons comment les ailerons avant de la F1 fonctionnaient dans le passé.

Les ailerons avant de la F1 dans le passé

Les générations précédentes de voitures de F1 étaient dotées d’ailerons avant complexes, composées de plusieurs éléments, dérives et winglets différents. Les formes de ces ailes produisaient de la force d’appui de la même manière que les ailerons avant simplifiées actuelles, mais les ailes complexes jouaient un rôle plus important en termes de guidage de l’écoulement de l’air sur la voiture.

Pour guider plus efficacement le flux d’air au-dessus des voitures, un élément de l’aérodynamique appelé tourbillons était utilisé (et l’est toujours dans une certaine mesure). Il s’agit de spirales d’air à haute énergie qui manipulent le flux d’air autour d’elles. Dans le cas des tourbillons provenant des ailerons avant, l’objectif était d’éloigner l’air turbulent d’autres parties aérodynamiques clés situées plus en arrière.

Cet objectif a été atteint en générant des courants d’air qui contribuent à l’étanchéité du soubassement (pour une plus grande production de force d’appui par le plancher).

Remarque : dans la plupart des cas, un tourbillon provoque lui-même de la traînée. Cependant, il contribue à réduire la traînée ailleurs, ce qui, au final, se traduit par un avantage en termes de performances globales.

Des tourbillons d’air ont également été créés à l’aide d’ailettes sous les profils d’aile afin de permettre des angles d’attaque plus raides sans rupture du flux de l’aile (la séparation du flux de la surface de l’aile induirait une traînée, ce qui ralentirait la voiture). Ils ont également été utilisés pour dynamiser la couche limite du dessous de caisse et accélérer l’air (afin d’améliorer la production de force d’appui).

Refroidissement de la voiture

La génération de tourbillons permet également d’améliorer l’écoulement de l’air vers l’intérieur (vers les radiateurs par exemple), grâce à un effet de canalisation. Pour refroidir le moteur et les autres composants internes de la voiture, il faut que l’air circule beaucoup sur les radiateurs à travers les longerons.

L’utilisation de tourbillons permet aux équipes de guider l’air autour des différentes parties de l’avant de la voiture et dans ces prises d’air pour un refroidissement efficace. Notez que les tourbillons eux-mêmes ne sont pas utilisés pour le refroidissement, et que ce ne sont pas les spirales d’air qui entrent dans les prises d’air des sidepods, mais plutôt l’air qui est en quelque sorte canalisé par ces tourbillons.

Mais il y a un tourbillon en particulier que vous avez peut-être entendu mentionner dans le contexte de la génération précédente d’ailerons avant en Formule 1, le tourbillon Y250.

Qu’est-ce que le vortex Y250 ?

Le vortex Y250, également appelé tourbillon Y250, était généré à 250 mm de part et d’autre de l’axe central de la voiture (c’est-à-dire sur l’axe Y) sur les générations précédentes de voitures de F1. L’air dans ce tourbillon était extrêmement énergétique et le fait de le contrôler autour de la voiture à partir de l’aileron avant permettait de guider le flux d’air dans les prises d’air de refroidissement.

Le tourbillon est généré par une différence de pression entre la section centrale neutre située à 250 mm de l’axe central et le reste de l’aileron avant.

Le vortex Y250 peut extraire l’air au bord du plancher, produisant ainsi un effet de succion qui améliore l’efficacité aérodynamique dans cette zone. Cela s’est avéré bénéfique pour l’entrée du pied latéral et le plancher lui-même. Ces deux zones bénéficient d’un meilleur flux d’air, car cette aspiration peut fournir au plancher de l’air à haute énergie (utile pour la production de force d’appui). 

Le vortex de la Y250 a également éloigné le sillage de la roue avant de la voiture et, surtout, du dessous de caisse. Il agit également comme une « jupe » aérodynamique sur les bords du plancher, empêchant l’air de pénétrer dans le soubassement par les côtés. Il a donc considérablement augmenté l’efficacité du soubassement en termes de production de force d’appui.

Mais le vortex Y250 a disparu avec les changements de réglementation de 2022, car il ne pouvait plus y avoir d’espace entre le cône de nez et les éléments de l’aileron avant, comme le montrent les images ci-dessus.

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Le problème de l’air sale

Si ces tourbillons ont permis à la voiture de générer de la force d’appui et de diriger l’air vers les poutrelles latérales pour refroidir les composants internes, ils ont créé un cauchemar pour la voiture qui la suivait en laissant de l’air turbulent et à basse pression dans lequel elle devait rouler, en grande partie à cause de la génération d’eau de ruissellement. On dit souvent des voitures de F1 qu’elles « font un trou dans l’air », laissant derrière elles un air turbulent, à basse pression et à faible énergie, à partir duquel les voitures qui les suivent ne peuvent pas générer autant de force d’appui.

L’air turbulent est non seulement moins efficace pour produire de la force d’appui, mais il n’est pas non plus propice au refroidissement. Les années précédentes, il était donc plus difficile de suivre les voitures, car non seulement la voiture suiveuse ne pouvait pas produire autant de force d’appui dans les virages, perdant ainsi de l’adhérence, mais ses voitures étaient également sujettes à la surchauffe si elles restaient trop près pendant trop longtemps.

Nous en avons longuement parlé dans notre article sur l’air pollué en F1. Les modifications apportées aux règles en 2022 visaient à réduire ce problème afin de permettre aux voitures de se suivre plus facilement. En conséquence, la conception des ailerons avant a également beaucoup changé.

Comment les ailerons avant de la F1 ont changé en 2022

La différence la plus évidente lorsque l’on compare les ailerons avant actuelles à celles du passé est la forme des éléments de l’aileron avant. Ceux-ci ont dû être simplifiés et il ne peut y avoir qu’un maximum de quatre éléments d’aileron avant (contre cinq sur les générations précédentes).

Alors que les ailerons avant d’autrefois pouvaient générer jusqu’à six tourbillons différents, les nouvelles règles en réduisent le nombre à deux seulement. Il s’agit du tourbillon de bout d’aile (à l’extrémité des ailes, comme on peut s’y attendre) et du tourbillon strictement limité du « plan de plongée » (le plan de plongée est illustré sur l’aileron avant de Red Bull ci-dessous).

Un autre changement important a été la suppression des dérives de sol (voir les images ci-dessous). Il s’agissait d’éléments supplémentaires situés à l’extérieur des dérives d’extrémité. Ils avaient pour but d’empêcher l’air ambiant, dont la pression était plus élevée, de pénétrer sous l’aileron avant par les côtés. Elles généraient également des tourbillons, mais ceux-ci ne sont plus possibles avec l’absence de la plaque de pied.

Cela signifie qu’une partie de l’air passe sous l’aileron avant, et que les ailerons avant ne peuvent plus générer d’écume comme ils le faisaient auparavant en raison de l’absence de générateurs de tourbillons. Les équipes ont donc dû faire des compromis et adapter leur conception au reste de leur philosophie aérodynamique. C’est pourquoi nous constatons tant de différences entre les ailerons avant des voitures lorsque nous les examinons de près.

Différences d’ailerons avant entre les équipes

Examinons maintenant quelques-unes des principales différences observées entre les ailerons avant des différentes voitures à la suite de ces changements. Au début de la saison 2022, Mercedes avait des éléments plus grands à l’extérieur de l’aileron avant et vers l’intérieur, plus près du nez, il y avait de grandes découpes. Cela permet à plus d’air de circuler dans les tunnels Venturi de leur voiture pour produire de la force d’appui via le plancher.

Ferrari, en revanche, avait un élément d’aileron avant beaucoup plus régulier qui permettait à moins d’air de pénétrer dans le plancher de la voiture. Cela peut permettre à l’aileron avant de générer plus de force portante, donnant à la voiture une meilleure adhérence du train avant dans les virages à grande vitesse. Il s’agit de faire les bons sacrifices en fonction des spécificités de chaque voiture.

Remarque : nous simplifions également les choses ici, car il y a souvent plus en jeu qu’il n’y paraît. De plus, seules les équipes connaissent les raisons exactes de leurs choix de conception spécifiques !

Fixation de l’aileron avant

L’attachement de l’aileron avant au nez de la voiture est un autre domaine dans lequel les équipes peuvent adopter des approches différentes. Certaines équipes choisissent de fixer leurs ailerons avant au plan principal de l’aileron avant (l’élément le plus bas).

D’autres équipes ont choisi de fixer le nez au deuxième plan (juste au-dessus de l’élément le plus bas), en laissant un espace entre le plan le plus bas et le deuxième plan de l’aileron avant. De cette manière, l’élément inférieur est plus proche du sol, ce qui réduit le flux d’air sous l’aile. La vitesse du flux d’air sous l’aile s’en trouve augmentée, ce qui contribue à la production d’une force d’appui à l’avant.

Hauteur de l’aileron avant

Aston Martin a attiré l’attention de nombreuses personnes lors de la sortie de sa voiture 2022. En effet, son aileron avant était beaucoup plus haut que ce que l’on voit habituellement sur une voiture de Formule 1, ce qui laissait le plancher sous la voiture relativement exposé. McLaren a ensuite sorti sa voiture, dont l’aileron avant était beaucoup plus basse que celle d’Aston Martin.

Dans le passé, on préférait que l’aileron avant soit le plus bas possible par rapport au sol, car cela permettait d’utiliser au mieux l’effet de sol, l’aspiration étant plus importante du fait de la proximité du sol, ce qui se traduisait par une plus grande force d’appui globale. Cependant, les voitures peuvent désormais utiliser divers tunnels en dessous pour générer de la force d’appui, et le fait de relever l’aileron avant est bénéfique car cela permet à l’air de s’écouler directement dans le plancher.

Soit dit en passant, après avoir parlé de la réduction de la complexité des ailerons avant en F1, cela vaut la peine de jeter un coup d’œil à quelques images d’ailerons avant datant d’un passé plus lointain, pour voir à quel point elles ont changé au fil des décennies !

À retenir

Les ailerons avant des voitures de F1 sont des éléments aérodynamiques essentiels. Elles sont utilisées pour générer de la force d’appui et jouent également un rôle important en guidant le flux d’air sous et autour de la voiture. Elles ont beaucoup évolué au fil des ans, et les changements de règles de 2022 les ont simplifiées par rapport aux années précédentes.

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