Qu’est-ce que le marsouinage en F1 ?

Qu'est-ce que le marsouinage en F1 ?
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Les changements de règles de 2022 étaient révolutionnaires, et ils ont changé radicalement l’apparence et les performances des voitures de Formule 1. Les pilotes ont dû s’adapter et apprendre à conduire ces voitures, mais cela a également représenté un défi pour les ingénieurs. L’un de ces défis est ce que l’on appelle le marsouinage ou porpoising.

En F1, la voiture est aspirée vers le sol de manière répétée, puis rapidement repoussée. L’effet de sol aspire la voiture vers la piste, chargeant la suspension, puis le flux d’air se bloque sous la voiture. La force descendante diminue alors, la suspension se décharge, et la voiture est repoussée vers le haut.

Le marsouinage est un problème auquel les équipes de F1 n’ont pas eu à faire face depuis le début des années 1980 et qui a obligé les ingénieurs à faire des heures supplémentaires pour résoudre le problème. Certaines équipes sont plus touchées par le porpoising que d’autres, et nous allons examiner de plus près ce que signifie exactement le marsouinage en F1.

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Une note importante sur la complexité du marsouinage

Avant d’aborder plus en détail ce qu’est le marsouinage en Formule 1 et ce qui le provoque, il convient de préciser qu’il s’agit d’un phénomène très complexe. Il peut être causé par une grande variété de choses différentes, des composants mécaniques comme la suspension à la conception aérodynamique globale de la voiture.

De nombreuses causes différentes

Par exemple, en 2022, Mercedes a laissé une grande partie de son plancher exposé, ce qui signifie qu’il peut se plier considérablement sous différentes charges. Cela entraînerait naturellement des changements dans l’aérodynamisme de la voiture à haute vitesse et donc des niveaux de force descendante élevés. Cela pourrait provoquer des fluctuations de l’appui, entraînant des oscillations dans cette partie du plancher et provoquant également le marsouinage.

Si le soulèvement et le tangage de la voiture ne sont pas bien contrôlés par la configuration de la suspension, un phénomène similaire peut se produire. Ces mouvements de haut en bas peuvent créer des fluctuations dans le flux d’air et donc aussi dans la force d’appui, ce qui entraîne le porpoising.

Cependant, ces deux facteurs (la conception des bords du plancher et la configuration de la suspension de la voiture) peuvent s’influencer mutuellement, et la façon dont la voiture est conçue peut dicter quels facteurs ont la plus forte influence sur le marsouinage que le pilote ressent. Tout ne dépend pas de la hauteur de caisse de la voiture, et de nombreuses variables entrent en jeu.

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Il est facile de simplifier à l’extrême

Le marsouin est souvent simplifié à l’extrême, ce qui peut rendre les bases plus faciles à comprendre pour les débutants, mais cela signifie généralement que les nuances de ce phénomène sont perdues. Si le problème du marsouin était aussi simple que certaines sources le suggèrent, des équipes comme Mercedes n’auraient pas passé la majeure partie de la saison 2022 de F1 à essayer de résoudre leurs problèmes !

Malheureusement, afin de rendre la question du marsouin compréhensible par un public plus large, nous devons simplifier certains concepts ci-dessous. Cependant, notre objectif est de fournir la réponse la plus complète possible, afin que vous puissiez vraiment comprendre ce qui est à l’origine d’une si grande partie des rebonds dont souffrent certaines équipes. Mais tout d’abord, nous allons acquérir une compréhension de base de l’effet de sol.

Qu’est-ce que l’effet de sol en F1 ?

Les modifications apportées aux règles aérodynamiques en 2022 signifient que les voitures de Formule 1 utilisent désormais l’effet de sol pour produire une plus grande partie de leur force d’appui qu’elles ne le faisaient dans un passé récent, plutôt que de s’appuyer largement sur les différents ailerons et autres composants générant une force d’appui sur la carrosserie de la voiture. Cette décision a été prise dans le but de limiter « l’air sale » qui s’échappe de l’arrière des voitures et qui empêche les voitures de se suivre.

Mais il est important de noter que les voitures de F1 utilisent l’effet de sol depuis sa découverte il y a plusieurs décennies, mais dans une moindre mesure que ce que nous voyons aujourd’hui. Prenez la définition suivante de l’effet de sol et il devient plus facile de voir comment c’était le cas même avant 2022.

Définition de l’effet de sol

Effet de sol : La capacité d’une surface générant de l’effet de sol à générer plus d’effet de sol lorsqu’elle est à proximité du sol.

Ce n’est pas la définition que vous trouverez généralement en ligne, car il est important de noter que l’effet de sol fonctionne dans les deux sens, et qu’on y fait largement référence dans le contexte de la portance lorsqu’on parle d’avions. La portance est une force descendante dans la direction opposée, la force descendante étant parfois appelée « portance négative ». Ce n’est pas important pour notre discussion, mais cela vaut la peine de le souligner en référence à cette définition.

Revenons à l’idée que les voitures de F1 utilisent l’effet de sol avant 2022. En gardant à l’esprit la définition ci-dessus, il devient plus facile d’imaginer que les voitures de F1 ont toujours utilisé l’effet de sol (du moins depuis que les ingénieurs ont commencé à en comprendre les usages). Les voitures de Formule 1 roulent très près du sol, ce qui signifie qu’il y a des composants comme les ailerons avant et les planchers qui sont « à proximité immédiate du sol. »

Le soubassement et les diffuseurs des voitures, surtout depuis le début des années 2000, sont responsables de la production de 40 à 60 % de la force d’appui totale de la voiture. Cela est dû en grande partie à l’effet de sol qui permet à ces composants bas sur le sol de produire une si grande partie de la force descendante de la voiture.

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Toutefois, les changements apportés à la réglementation aérodynamique en 2022 ont orienté la production de la force descendante encore plus vers l’utilisation de l’effet de sol, et le soubassement et le diffuseur produisent désormais plus de 70 % de la force descendante totale de la voiture.

Tunnels Venturi

Les voitures de F1 s’appuient désormais beaucoup sur les tunnels Venturi pour produire de l’appui sous la voiture (avec le diffuseur). L’explication très simple est que ces tunnels Venturi accélèrent l’air sous la voiture, ce qui conduit à une zone de basse pression, créant une différence de pression au-dessus et au-dessous de la voiture, aspirant efficacement la voiture vers le sol.

C’est ce qu’on appelle l’effet de sol. L’effet de sol a été utilisé pour la première fois en F1 dans les années 1970. Cependant, il a été interdit car il était trop dangereux, les voitures atteignant des vitesses incroyablement élevées dans les virages. Les ingénieurs ont désormais une meilleure compréhension de son fonctionnement, et il a donc été mis en œuvre en 2022 d’une manière beaucoup plus sûre qu’à l’époque. Cependant, l’une des conséquences de l’effet de sol est un phénomène connu sous le nom de marsouinage.

Que signifie le marsouinage en F1 ?

Le marsouinage en F1 désigne l’effet de rebond des voitures lorsqu’elles roulent à grande vitesse sur les lignes droites. Les voitures rebondissent en raison de l’effet de sol qui aspire la voiture si bas que le flux d’air se bloque en dessous, avant que la suspension ne repousse rapidement la voiture vers le haut.

Le terme « marsouinage » a été inventé à la fin des années 1970 par Mario Andretti, mais il a été utilisé à nouveau lors des essais de pré-saison de Barcelone et de Bahreïn en 2022 pour décrire ce que les voitures faisaient sur les lignes droites. Tout comme un marsouin qui saute dans l’eau lorsqu’il nage, les voitures de Formule 1 rebondissaient de haut en bas sur la ligne droite de manière similaire.

Comment le marsouinage se produit-il ?

Lorsque l’air traverse les tunnels Venturi situés dans le plancher d’une voiture de F1, la suspension se met en charge et la voiture est aspirée vers le sol, en raison de la grande différence de pression entre le dessus et le dessous de la voiture. L’air sort par des diffuseurs à l’arrière de la voiture, ce qui permet d’aspirer plus d’air sous la voiture et donc de créer plus d’appui.

Lorsque la voiture atteint une certaine vitesse en ligne droite, elle génère une telle force d’appui grâce à l’effet de sol qu’elle devient très basse par rapport au sol et peut même le toucher.

Décrochage du diffuseur

Lorsque la voiture est trop basse par rapport au sol, l’air ne peut plus être aspiré sous la voiture, et l’air commence à se bloquer sur le bord du diffuseur. Le décrochage signifie que l’air à basse pression sous la voiture se sépare de la surface du dessous de la voiture (séparation du flux). Cela provoque une augmentation de la pression dans cette zone, ce qui entraîne une perte d’appui, particulièrement visible dans la zone du diffuseur.

La suspension se décharge alors et soulève rapidement la voiture, car elle est très rigide et veut presque revenir à sa position de repos normale. Lorsque la voiture se soulève, davantage d’air circule sous la voiture, dans les tunnels Venturi et dans le diffuseur, comme d’habitude.

Cela génère une force d’appui, qui aspire la voiture vers le sol et sollicite à nouveau la suspension. Ce phénomène se reproduit rapidement, dans un cycle répétitif, ce qui entraîne l’effet de rebondissement connu sous le nom de « porpoising ».

Vous avez peut-être aussi entendu le terme de décrochage en référence aux avions. La même chose se produit, mais dans la direction opposée. Lorsque l’angle d’attaque de l’avion augmente au-delà d’un angle critique, le flux d’air se sépare de l’aile, et l’avion perd de sa portance, entrant dans un décrochage (la forme du diffuseur d’une voiture de F1 peut être considérée comme une aile inversée).

Remarque importante : le décrochage est un concept aérodynamique complexe, et nous ne le détaillerons pas ici. D’autres effets sont également en jeu, tels que la rupture des tourbillons et l’hystérésis, et pour éviter d’entrer dans un domaine trop technique, nous avons gardé les choses assez simples.

Résumé du marsouinage en F1

Le cycle de base du marsouinage en F1 est le suivant :

  • La voiture est aspirée vers le sol à haute vitesse lorsque la force d’appui augmente, ce qui charge la suspension.
  • La voiture est si basse par rapport au sol que le flux d’air ralentit à la surface du plancher ou du diffuseur.
  • Sa pression augmente, ce qui entraîne une perte d’appui.
  • La suspension se décharge en raison du manque d’appui, poussant la voiture vers le haut.
  • L’air circule à nouveau sous la voiture et génère une force d’appui importante.
  • La voiture est à nouveau aspirée vers le sol, ce qui charge la suspension, et le cycle se répète.

Comment les équipes de F1 peuvent-elles lutter contre le marsouinage ?

La cause du problème de la porosité est le plancher de la voiture, et les équipes ne veulent pas trop modifier le plancher car elles risquent de perdre une partie de l’effet de sol et donc de l’appui dans les virages. La réponse simple au problème du porpoising est de surélever toute la voiture par rapport au sol en modifiant la hauteur de caisse.

Hauteur de caisse

En élevant la hauteur de caisse de la voiture, l’air a moins de chances d’être piégé sous la voiture dans les tunnels Venturi (car il y a simplement plus d’espace pour qu’il s’écoule sous la voiture), ce qui entraîne le calage du diffuseur. Cela réduit considérablement l’effet de marsouin.

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Cependant, l’augmentation de la hauteur de caisse d’une voiture de Formule 1 implique un énorme compromis. Pour que l’effet de sol soit aussi efficace que possible, les voitures doivent être aussi basses que possible par rapport au sol afin d’emprisonner l’air et de créer un vide (sans aller trop bas), aspirant la voiture vers le sol, ce qui lui permet de prendre les virages à grande vitesse.

En augmentant la hauteur de caisse de la voiture, les équipes perdent une partie de cette force d’appui et donc une partie de leur vitesse en virage. Mais en élevant la hauteur de caisse, on élève également le centre de gravité de la voiture, ce qui affecte son équilibre dans les virages. La clé est de trouver un équilibre entre la réduction du portage et le maintien d’une force d’appui aussi importante que possible sur la voiture.

Fait marquant : Chaque voiture de F1 aura une plage de hauteur de caisse optimale où elle produira le plus d’appui. Les équipes essaieront de faire rouler leurs voitures dans cette fenêtre du mieux qu’elles peuvent, et aller trop bas ou trop haut peut entraîner une perte d’appui.

Suspension active

L’utilisation d’une suspension active est un moyen sûr de résoudre le problème du marsouinage. La suspension active est un système qui a été utilisé pour la première fois en F1 en 1983 pour lutter contre, vous l’avez deviné, le porpoising. Il s’agissait d’un système incroyablement intelligent qui permettait de relever et d’abaisser automatiquement la hauteur de caisse de la voiture lorsque celle-ci était sur la piste. Il a été utilisé avec un effet maximal au début des années 1990, avant d’être interdit.

La suspension active ajustait automatiquement, via l’électronique et divers capteurs, la hauteur de caisse de la voiture de différentes manières afin de maximiser l’adhérence des quatre pneus à tout moment. Cependant, lorsqu’elle a été utilisée pour la première fois au début des années 80 pour lutter contre le marsouin, elle était simplement conçue pour empêcher le décrochage de l’air sous la voiture qui entraînait le mouvement de haut en bas.

La suspension active a été interdite pour la saison 1994, car elle était jugée trop dangereuse et constituait en fait une aide au pilote, ce qui semblait priver le sport de ses compétences. Cependant, si elle était réintroduite, la suspension active résoudrait immédiatement les problèmes de monopole des équipes de F1, mais il est peu probable que cela se produise de sitôt.

Comment le marsouinage affecte-t-il les temps au tour en F1 ?

Le portage peut avoir un impact négatif sur les temps au tour en F1 s’il n’est pas géré efficacement. Comme les voitures ont tendance à faire du louvoiement sur les longues lignes droites, elles souffrent en termes de vitesse de pointe. Si elles ont tendance à faire du louvoiement dans les virages, la voiture peut devenir très instable, ce qui peut entraîner un accident.

Avec les violents rebonds sur les lignes droites, les voitures de F1 peuvent avoir du mal à atteindre leur vitesse de pointe réelle. Le porpoising ralentit naturellement la voiture sur les lignes droites, car la voiture ne pourra pas rouler de manière aussi fluide que possible. Comme l’air sous la voiture charge et décharge la suspension, la vitesse de pointe de la voiture en pâtit.

Bien que le marsouin ne semble être un problème qu’à des vitesses très élevées à la fin des lignes droites, s’il devait se produire dans des virages à très grande vitesse, il n’affecterait pas seulement les temps au tour. Il pourrait également rendre la voiture si instable que le conducteur aurait du mal à la maintenir sur le circuit.

Le marsouinage en F1 endommage-t-il la voiture ?

Le porpoising peut non seulement causer des problèmes de vitesse de pointe et de temps au tour, mais il peut également endommager la voiture si le marsouinage devient trop violent. Avec le rebondissement violent, il y a un risque que le plancher de la voiture frappe trop fort le tarmac et soit endommagé.

Il s’agit d’un problème plus grave que par le passé, car le plancher est crucial pour les performances de la voiture dans les tunnels Venturi. Si le plancher est endommagé, l’effet de sol de la voiture en pâtit considérablement. Cela signifie que la voiture perdrait une énorme quantité d’appui dans les virages. Cela n’affecterait pas seulement les temps au tour, mais deviendrait également dangereux.

D’autres parties de la voiture peuvent également être endommagées par le portage excessif, comme ce fut le cas pour Haas lors du Grand Prix d’Azerbaïdjan 2022, lorsque le portage a provoqué une fuite d’eau sur la voiture de Mick Schumacher en raison de colliers de serrage desserrés.

Le marsouinage est-il inconfortable pour les pilotes de F1 ?

Le marsouinage est inconfortable pour les pilotes de F1 lorsqu’ils doivent y faire face pendant de longues périodes. De nombreux pilotes ont rapporté que l’effet de marsouin est difficile à supporter lorsque la voiture roule à 190 km/h dans la ligne droite, et qu’il a déjà donné des maux de tête aux pilotes.

Charles Leclerc a comparé l’effet de marsouin aux « turbulences d’un avion » et a déclaré qu’il se sentait « un peu malade ». A en juger par les caméras embarquées de face, il est clair que le porpoising est très inconfortable pour le pilote, surtout s’il doit effectuer une course complète avec du marsouinage sur chaque longue ligne droite.

Conclusion

Le marsouinage en F1 est le mouvement de rebondissement de haut en bas de la voiture à grande vitesse. Le phénomène se produit lorsque la voiture est aspirée vers le sol en raison d’une force d’appui massive, avant de se redresser lorsqu’elle perd de la force d’appui en s’approchant trop du sol, le cycle se répétant.

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