Qu’est-ce que l’effet Coanda en Formule 1 ?

En Formule 1, le vent et son comportement avec la voiture sont fondamentaux. C’est pourquoi les émissions de F1 parlent beaucoup de concepts aérodynamiques qui sont parfois difficiles à comprendre. L’un des concepts dont on parle le plus est l’effet Coanda, mais qu’est-ce que c’est au juste ?

L’effet Coanda est la tendance de l’air à rester attaché à la surface sur laquelle il s’écoule, en s’adaptant à ce solide et en suivant son contour en raison de la viscosité des fluides. Les ingénieurs aérodynamiciens de la F1 jouent avec cet effet pour faire en sorte que le flux d’air suive le contour de la voiture.

Malgré sa définition simple, en Formule 1, il peut être utilisé de nombreuses façons, affectant de manière significative les performances de la voiture en fonction de la manière dont il est compris et appliqué. Lisez la suite pour découvrir ce qu’est l‘effet Coanda, comment il fonctionne et pourquoi il est utilisé en F1.

Qu’est-ce que l’effet Coanda ?

L’effet Coanda est un phénomène physique qui se produit dans tout fluide, celui-ci ayant tendance à être attiré par une surface voisine de sa trajectoire. L’air, et tout autre fluide, ont une certaine friction, appelée viscosité, qui varie d’un fluide à l’autre. L’effet Coanda est donc produit par la viscosité du fluide, qui tend à adhérer à une surface courbe, modifiant ainsi sa trajectoire.

Pour que le fluide (dans notre cas, l’air) adhère, il doit s’agir d’une surface arrondie sans changement brusque. Par exemple, l’air n’adhérera pas dans le cas d’un cube, car il heurtera la surface plane et ralentira, se détachant de la surface. Dans le cas d’une sphère, l’air suit le contour de sa surface et y adhère.

L’air adhère donc à sa surface. La première couche de fluide est entièrement retenue en raison de sa viscosité, mais les couches successives placées les unes sur les autres s’adaptent à la forme de la surface, créant ainsi la couche limite.

Vous pouvez tester cela en faisant une expérience simple à la maison. Avec une bougie allumée, placez un cube de bois ou d’un autre matériau entre vous et la flamme. Soufflez derrière le cube dans la direction de la flamme et vous verrez que la flamme ne s’éteint pas car le cube dévie l’air.

En revanche, si vous placez une bouteille comme obstacle entre vous et la flamme, vous verrez que la flamme s’éteint lorsque vous soufflez. En effet, l’air, au lieu de frapper la surface de la bouteille et de se disperser entièrement comme dans le cas précédent, entoure la bouteille jusqu’à ce qu’il trouve la flamme allumée.

L’air suit donc la géométrie du solide. La forme parfaite pour que l’air adhère est celle d’une goutte d’eau, c’est-à-dire arrondie et allongée à l’arrière, car c’est ainsi qu’il adhère le mieux.

Comment l’effet Coanda est-il utilisé en Formule 1 ?

L’effet Coanda est très important dans la conception des voitures de Formule 1. Les voitures de Formule 1 tentent de réduire les zones droites afin que l’air passe avec le moins de turbulences possible, toujours près de la surface. C’est pourquoi les pontons sont courbés, progressifs et étroits, afin que l’air les suive.

La clé en Formule 1 est de rendre la voiture la plus résistante possible à l’air, et les ingénieurs doivent savoir en tirer parti pour jouer avec elle à volonté et modifier sa trajectoire type pour l’emmener là où cela leur convient le mieux. Ils le font avec les formes de la voiture, comme avec les pontons, qui ont une pente très progressive qui dévie l’air, comme nous l’avons vu. Ils sont très larges et se rétrécissent à mesure qu’ils s’approchent de l’essieu arrière.

L’ensemble de la voiture est stylisé de manière à ce que l’air s’écoule près de la voiture, évitant ainsi au maximum les turbulences. L’objectif principal des ailes, des pontons, des nacelles latérales et des autres éléments aérodynamiques est d’utiliser l’effet Coanda pour ramener le flux d’air vers l’arrière, près de la voiture, sans créer de turbulences.

Pour toutes ces raisons, les voitures de Formule 1 n’ont pas de zones droites mais toujours des courbes. Il faut savoir que l’effet Coanda varie en fonction de la vitesse du flux. Plus la vitesse est élevée, plus l’air a de l’énergie ; il pourra donc adhérer à des surfaces plus courbes. À plus faible vitesse, il ne peut pas adhérer à une courbure trop prononcée.

Comment les équipes de F1 mesurent-elles l’effet Coanda ?

Les écuries de Formule 1 utilisent trois procédures pour mesurer, calculer et contrôler l’effet Coanda. Ces procédures sont les suivantes :

La soufflerie

La soufflerie est une construction utilisée pour étudier les effets du mouvement de l’air autour d’objets solides. En Formule 1, les souffleries sont utilisées pour simuler les courants d’air auxquels la voiture peut être confrontée.

Elles sont généralement constituées de grands ventilateurs puissants avec une base rotative qui permet de voir l’impact du vent à différents degrés tout en utilisant un modèle réduit. Différents ordinateurs analysent les données obtenues au cours des expériences, que les ingénieurs utilisent ensuite pour déterminer comment améliorer les performances dans certaines conditions et tester ainsi l’efficacité de différents concepts, composants et améliorations.

Dynamique des fluides numérique

Une autre technique utilisée est la simulation CFD (Computational Fluid Dynamics). Il s’agit d’un outil qui permet de simuler le comportement d’un fluide quelconque (l’air dans le cas de la F1) dans un système à l’aide de calculs informatiques.

L’ordinateur détermine une série d’équations complexes qui simulent le comportement de l’air autour d’une voiture, en obtenant certains paramètres aérodynamiques tels que la densité, la pression ou la vitesse, avec lesquels nous pouvons facilement obtenir les forces et la distribution des pressions sur la voiture. Nous obtenons ainsi les mêmes résultats que dans la soufflerie.

Flow-Viz

L’autre technique est la peinture de visualisation de l’écoulement ou Flow-Viz, une poudre fluorescente mélangée à une huile à base de paraffine appliquée peu avant que la voiture n’aille sur la piste pour les essais. Elle est appliquée sur les parties de la voiture à analyser et, lorsque la voiture entre en piste et commence à rouler, le liquide se répand sur les parties où l’air circule, ce qui permet d’étudier l’influence de l’air sur une surface particulière.

Le Flow-Viz est très courant lors des essais de pré-saison, lorsque l’on voit des voitures recouvertes de peinture fluorescente. La pré-saison est le moment où les ingénieurs étudient les nouvelles voitures, les composants qui fonctionnent bien et ceux qui ont besoin d’être améliorés.

Qu’est-ce que le « Slipstream » et le « Dirty Air » en Formule 1 ?

En Formule 1, l’aspiration est une chose positive. Comme nous l’avons vu, grâce à l’effet Coanda, les voitures de Formule 1 génèrent une zone de basse pression derrière elles en redirigeant l’air. Par conséquent, dans les lignes droites, lorsqu’une voiture en suit une autre de près, l’air ne la touche pas autant puisque la voiture qui la précède la coupe, générant ainsi cette zone de basse pression qui permet à la voiture qui la suit de bénéficier d’une vitesse de pointe plus élevée pour effectuer un dépassement.

La voiture de devant coupe donc l’air, ce qui, dans les lignes droites, est bénéfique pour la voiture de derrière, puisque l’important est de réduire la force d’appui pour atteindre une vitesse de pointe élevée. En revanche, dans les virages et au freinage, c’est l’inverse qui est vrai : l’important est de générer le plus de force portante possible. C’est pourquoi on parle d’air sale dans les virages, au freinage et dans le couloir de dérapage sur les lignes droites.

La voiture qui précède coupe l’air, de sorte que la voiture qui suit ne reçoit pas autant d’air, ce qui lui fait perdre de la force d’appui et l’empêche de prendre le virage aussi rapidement. Les voitures de Formule 1 sont conçues pour un écoulement laminaire de l’air. Dans les virages, la voiture de devant génère beaucoup de turbulences qui affectent les voitures de derrière, c’est-à-dire qu’elles salissent l’air et rendent plus difficile la prise du virage.

Cela affecte surtout les pneus avant, car l’aileron avant est le plus sensible, car il régénère le flux d’air vers le reste de la voiture. Le reste de l’aérodynamique souffrira si l’aileron avant ne fonctionne pas bien.

Cela affecte également les conduits de refroidissement des freins et du moteur, ainsi que les pneus, puisque moins d’air les atteint et qu’ils surchauffent davantage. Dans le cas des pneus, la surchauffe entraîne une dégradation beaucoup plus rapide.

Quels sont les changements aérodynamiques apportés à la F1 en 2022 ?

Pour la saison 2022, l’aérodynamique des voitures a connu un changement important, puisqu’elle s’est simplifiée, laissant derrière elle les ailes et les nacelles latérales complexes qui caractérisaient les voitures des années précédentes. Les nouvelles voitures, beaucoup plus simples sur le plan aérodynamique, génèrent une grande partie de la force portante grâce au retour de l’effet de sol qui était si célèbre dans les années 1970 et 1980.

Mais pourquoi des changements aussi radicaux ? Les voitures de Formule 1 de ces dernières années étaient si complexes sur le plan aérodynamique qu’elles généraient beaucoup de turbulences et y étaient également très sensibles, ce qui rendait très difficile de suivre une voiture de près, car plus on s’en approchait, plus on constatait une perte d’appui.

C’est pourquoi il est devenu difficile de doubler au cours des dernières années, car on perdait beaucoup d’appui en s’approchant du pilote qui nous précédait. C’est pourquoi, en de nombreuses occasions, le pilote derrière l’autre a laissé un écart avec lui sans perdre d’appui et sans faire surchauffer les freins ou user davantage les pneus.

L’objectif de la simplification aérodynamique des nouvelles voitures est donc de faire en sorte qu’une voiture qui en suit une autre ne perde pas autant de force portante, ce qui facilite les dépassements et accroît le spectacle.

Les changements aérodynamiques de la F1 2022 ont-ils fonctionné ?

Comme nous l’avons vu, la F1 a modifié la conception des voitures pour 2022 dans le but de créer des courses roue contre roue plus serrées et de réduire l’impact de l’air sale afin de ne pas perdre autant d’appui lors du suivi, ce qui permet d’effectuer davantage de dépassements. Après une saison avec les nouvelles voitures, ces changements ont-ils vraiment porté leurs fruits ?

Au cours de la saison, les pilotes ont eu une perception positive de l’impact de la nouvelle réglementation, estimant qu’elle avait permis de meilleures batailles sur la piste. Toutefois, les données officielles n’ont pas confirmé cette perception jusqu’à la fin de la saison, lorsque Pirelli, l’unique fournisseur de pneus de la catégorie, a confirmé que les dépassements avaient augmenté de plus de 30 % par rapport à 2021.

Alors qu’en 2021, Pirelli avait enregistré 599 dépassements, en 2022, ce chiffre est passé à 785 sur la même période de 22 courses. Il convient de souligner que seuls les « vrais » dépassements ont été enregistrés, c’est-à-dire les dépassements qui se sont produits sur la piste, et non les dépassements effectués par des voitures entrant dans les stands ou abandonnant la course.

Ces données sont plutôt positives, même si on les compare aux années précédentes, comme 2017, où il n’y a eu que 435 dépassements, 2018, où il y en a eu 615, et 2019, où il y en a eu 747. De plus, Pirelli souligne que l’augmentation des dépassements n’a pas été le seul point positif de la nouvelle réglementation, mais que l’année a été très compétitive, en particulier dans le milieu de terrain.

Par conséquent, la nouvelle réglementation a parfaitement atteint son objectif. De plus, comme il ne s’agit que de la première année, il y a encore beaucoup de place pour l’amélioration et le raffinement.

Conclusion

L’effet Coanda est l’un des principaux phénomènes physiques pris en compte lors de la conception d’une voiture de Formule 1. Les ingénieurs passent beaucoup de temps à étudier le comportement de l’air pour concevoir une voiture qui s’y adapte le mieux possible.

En conséquence, ces dernières années, les voitures sont devenues très complexes sur le plan aérodynamique, générant beaucoup d’air sale et faisant perdre beaucoup d’appui à la voiture qui les suit. Pour éviter cela, la FIA a réduit la complexité aérodynamique des voitures dans une large mesure en 2022 et a donc augmenté les dépassements, ce qui a semblé avoir un effet positif.

FAQ sur l’effet Coanda