Technique F1 : Comment fonctionne l’effet de sol ?

Avec Nicolas D.Z

La révolution technique de 2022, avec ses toutes nouvelles monoplaces, verra le retour de l’effet de sol, pourtant banni en Formule 1 en 1983. Un terme qui englobe plusieurs concepts, et celui qui sera présent l’an prochain est différent de ce que la F1 a connu dans les années 70 et 80.

En effet, il avait été interdit en raison du danger qu’il provoquait en cas de perte d’adhérence, la F1 ayant connu plusieurs accidents dramatiques liés à ce phénomène, et aux violents décrochages qu’il amenait lorsqu’une F1 perdait son grip.

Pour 2022, les dirigeants de la Formule 1 ont jugé qu’un retour à l’effet de sol serait préférable pour limiter le rôle des ailerons, et donc permettre aux voitures de se suivre de près sans perturbations. Mais pour éviter toute dérive de technologie qui apporterait des craintes sur la sécurité, la F1 a évidemment encadré ce retour.

Qu’est-ce que l’effet de sol ?

Traditionnellement, les voitures de sport génèrent de l’appui aérodynamique à l’aide d’ailerons. L’appui est une force verticale qui plaque la voiture au sol. Cette force verticale est accompagnée d’une trainée, c’est-à-dire une force horizontale qui entraine une résistance à l’air.

Le paradoxe de ces deux phénomènes est ce qui explique le compromis entre appui et vitesse de pointe, que les équipes recherchent constamment. La première tentative de s’en affranchir remonte à la fin des années 70.

En 1977, Lotus présente la 78 et introduit ainsi l’effet de sol, sous la houlette de Colin Chapman, avec l’aide de Tony Rudd et Peter Wright. Cette ’wing-car’, une première du genre, permet de générer de l’appui avec une traînée bien moindre qu’un aileron. Comment ?

L’effet de sol est l’expression de l’effet Bernoulli, et du théorème de Bernoulli qui en découle. Bernoulli établit que si un fluide est incompressible, alors son débit dans un tube est constant, et la vitesse du fluide à l’entrée et à la sortie du tube sont identiques.

Mais que se passe t’il si la section du tube est réduite sur le passage ? La vitesse d’entrée et de sortie sont toujours les mêmes mais la vitesse du fluide augmente dans la section réduite. L’augmentation de la vitesse entraine une diminution de la pression.

Comment l’effet de sol s’applique en F1

Si l’on transpose ce principe à la F1, le tube est représenté d’une part par le sol et de l’autre part le dessous de la voiture. Le flux d’air est donc élevé à l’avant et à l’arrière, et se réduit au milieu dans les canaux (trait vert ci-dessous)

Si la section est réduite au milieu (flèche orange ci-dessous) alors la pression chute, ce qui entraine un phénomène de succion. La voiture est plaquée au sol par cette succion avec une trainée bien moindre qu’avec un aileron.

C’est pour cela que l’on voit des tunnels sous les concepts des nouvelles voitures, qui affichent une hauteur plus importante à l’entrée et à la sortie, pour s’abaisser en leur centre, créant ainsi ce fameux effet Bernoulli.

Dans les années 70, Lotus et Arrows utilisaient des jupes coulissantes sur les côtés des F1 pour créer ces canaux et ainsi éviter que l’air ne parte par l’extérieur, dans le but de maximiser l’effet de sol.

La conséquence à cela était une certaine instabilité du système entier. L’appui était en effet très dépendant de la fiabilité des jupes, qui pouvaient se coincer ou être endommagées par des contacts avec la piste ou d’autres votiures, entrainant une perte d’appui soudaine.

Il n’était pas rare de voir une F1 perdre tout appui au milieu d’un virage et subir un accident. La FIA à donc introduit le fond plat en 1983 afin de limiter l’effet de sol. Le dessous de la monoplace étant plat, il n’est plus possible de réduire la section entre le sol et le fond.

Quel effet de sol pour les F1 de 2022 ?

Pour 2022, le nouveau règlement technique définit une zone de développement aérodynamique sous la voiture, en lieu et place du fond plat actuel. Cette zone est strictement encadrée pour éviter le retour des jupes et l’instabilités de celles-ci.

Une page complète du nouveau règlement y est consacrée, afin de décrire les ’coordonnées’ de cette zone et les formes de celle-ci. On peut d’ailleurs en voir les contours sur la maquette étudié en soufflerie par la FIA (en orange sur la photo ci-dessous).

Ce sont deux canaux, un de chaque côté du pilote, qui permettront de générer cet effet de sol. Il y a aura donc deux entrées proéminentes au niveau des pontons, qui alimenterons les canaux. Ceux-ci amèneront le flux d’air jusqu’au diffuseur.

Cependant, la totalité de l’air ne s’échappera pas grâce au diffuseur. En effet, la FIA autorise des ouvertures latérales dans chacun des canaux, afin de contrôler la pression et l’appui qui en découle.

Le défi pour les équipes sera donc de maximiser l’écoulement de l’air dans les tunnels formés par cette zone. Une grande partie des ressources de chaque équipe y est actuellement dédiée.

Moins de possibilités de contourner le règlement

Il sera difficile de percevoir les différentes solutions techniques de l’extérieur, mais il y a fort à parier qu’une partie de la performance que nous verrons lors des essais hivernaux 2022 viendra de ce qui se trouvera sous la voiture.

Si les équipes se défendent aujourd’hui d’avoir la capacité de trouver une solution aussi cruciale que le double diffuseur en 2009, il se pourrait néanmoins que la différence se fasse justement grâce à l’exploitation de cet effet de sol.

De son côté, la F1 promet qu’elle a laissé des possibilités d’exploitation du règlement aux équipes, mais elle annonce avoir empêché de véritables zones grises sur les grandes nouveautés de ces règles. Nous verrons si les ingénieurs des équipes ont tout de même réussi à contourner ces limitations plutôt strictes.

Cependant, le directeur technique de la F1, Pat Symonds, a déjà révélé que les nouvelles F1 pourraient être seulement une demi-seconde plus lentes en début de saison que les monoplaces de cette année.

Avec leur développement, elles deviendront donc plus rapides que les F1 actuelles, alors que la discipline voulait les ralentir de 2 à 3 secondes. Il faut alors espérer que cela n’entrave pas la capacité de ces F1 à se suivre, mais surtout à dépasser.

La Lotus 81B de 1980, sans aileron avant et avec ses jupes caractéristiques