II ) L'aérodynamisme du véhicule

Très simplement, on dira que l'aérodynamique est l'étude de l'écoulement de l'air autour d'un corps, le plus souvent un véhicule aérien ou terrestre. En effet, tout fluide s'écoulant sur une surface matérielle exerce sur celle-ci des actions de contact (pression et frottement) dont la résultante sur l'ensemble du corps est une force appelée "résultante aérodynamique". En Formule 1, l’aérodynamique est primordiale, c'est pourquoi l'industrie automobile s'est dotée d'autant de moyens pour permettre aux aérodynamiciens de se consacrer pleinement au perfectionnement des véhicules. 

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La vitesse de la monoplace dans une ligne droite est l'un des domaines les plus aisés à perfectionner. La difficulté en Formule 1 réside dans le fait que la trajectoire des circuits qui n'est pas constituée uniquement de lignes droites. Il faut donc arriver à créer une monoplace qui soit capable de ralentir le moins possible dans les virages tout en gardant un bon potentiel d'aération permettant d'assurer le refroidissement des pièces du moteur ainsi que des freins soumis à un échauffement intense. 

On sait que tout objet se déplaçant dans l’air à une certaine vitesse est soumis à plusieurs forces générées par l'air (pression et frottement). On les appelle les forces aérodynamiques.

Une monoplace de Formule 1 à l'arrêt subit deux forces : le poids et la réaction du sol. Lorsque celle ci se met en mouvement, quatre forces s'ajoutent: la traînée, la traction, la résistance au mouvement et la portance.

 

Voici les deux forces que subit la voiture de Formule 1 lorsqu’elle est à l'arrêt :

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• Le poids : il correspond à la résultante des forces exercées sur un corps au repos à la surface de la Terre. Il est dirigé vers le bas et sa direction est le centre de la Terre (gravitation). Cette force nommée P est appliquée au centre de gravité de la voiture.

Pour calculer cette force, il faut utiliser la formule suivante du poids en N (newton) : P = m.g avec :

 --> m : masse de l'objet (en kg)

 -->  g : intensité de la pesanteur (en N/kg).

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• La réaction du sol : il s'agit d'une force qui s'applique aux points de contact de la voiture avec le sol, c'est-à-dire au niveau des zones de contact entre les quatre pneumatiques et le sol. Sa direction et sa valeur sont celles du Poids, son sens est opposé. 

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Lorsque la voiture de Formule 1 est en mouvement, d'autres forces entrent en jeu :

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• La traction : cette force permet à la voiture de Formule 1 d’avancer. Elle est crée par le moteur, qui la transmet alors aux deux roues arrière dans le cas d'une voiture de Formule 1. On parle d'une traction 4x2, contrairement aux tractions 4x4 pour lesquelles la transmission se fait à l'ensemble des quatre roues.  Le vecteur représentant la traction, a pour direction une ligne parallèle au sol, et pour sens l'arrière vers l'avant. ​

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• La résistance au sol : elle possède les mêmes points de répartition que la réaction du sol c’est à dire les points de contact entre les pneumatiques et le sol, cette force possède une direction parallèle au sol et de sens opposé au mouvement. Cette force s'exprime en newton et se calcule à l'aide de la formule suivante :  Fr = P.m', avec :

--> P : poids (en N)

--> m' : coefficient de résistance au roulement

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• La résistance à l'air ou trainée : elle s’applique au centre de gravité du véhicule. Son sens est de l’avant vers l’arrière. Sa direction est parallèle au sol. Il s’agit en langage commun des frottements de l’air, donnée que les écuries de Formule 1 cherchent à limiter en permanence. 

La traînée s'exprime en newton selon la formule suivante : Tr = ½ × S × ρ × V² × Cx, avec :

--> S : surface (en m² )

--> ρ : masse volumique de l'air (en kg/m³ )

--> V : vitesse (en m/s)

--> Cx : coefficient de traînée 

De ce coefficient de trainée Cx est né le nom d'une voiture commercialisée par Citroën : la Cx. Par cette appellation, le constructeur a souhaité mettre en avant l'aérodynamisme de son nouveau modèle. 

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La portance, force perpendiculaire à la direction de la vitesse et dirigée vers le haut, résultat du mouvement d'un corps dans un fluide, est négative dans le cas de la Formule 1. La force est donc dirigée vers le bas, c’est pour cela qu’on parle de déportance. Elle afflue notamment sur les deux ailerons. L'importance de cette déportance est décrite dans le théorème de Bernoulli : de par la forme d’aile inversée de chaque aileron, une dépression sous l'aileron permet une meilleure adhérence à la piste.

La formule de la portance est Fz (en N) = 1/2 × S × ρ × V² × Cz, avec :

--> S : surface (en m²)

--> ρ : masse volumique de l'air (en kg/m³)

--> V : vitesse (en m/s)

--> Cz : coefficient de portance