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Oct 15, 2023

Formule 1 : la science, l'ingénierie et l'innovation derrière la vitesse

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Chaque année, vingt pilotes et dix équipes s'affrontent pour être sacrés champions du monde. C'est la course de Formule 1 résumée en une seule ligne.

La Formule 1, ou F1, est une sensation mondiale. Des millions de personnes du monde entier regardent ce sport pour de nombreuses raisons. L'une des choses les plus fascinantes de ce sport est la vitesse et l'agilité des voitures de F1. Les voitures de course peuvent atteindre des vitesses de 220 mph (350 km/h) !

Bien qu'il soit amusant de regarder les pilotes s'affronter pour la position gagnante, la science, l'ingénierie et l'innovation derrière les constructions de la voiture sont tout aussi fascinantes (sinon plus !).

Ici, nous essayons de comprendre les différents facteurs d'ingénierie qui contribuent à la vitesse des voitures de F1, notamment l'aérodynamique, la puissance du moteur et d'autres techniques d'ingénierie innovantes. Chaque équipe de F1 s'efforce d'optimiser les performances de ses voitures dans ces domaines pour obtenir un avantage concurrentiel sur ses rivaux.

Alors allons-y !

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Le flux d'air joue un rôle crucial dans la conception des voitures de F1, compte tenu des vitesses élevées qu'elles atteignent. Par conséquent, l'aérodynamique d'une voiture de F1 est tout aussi importante que le moteur (dont nous parlerons dans la section suivante).

L'aérodynamique aide à trois choses principales: réduire la traînée, générer une force d'appui et minimiser la portance. Cela se fait en contrôlant la conception des caractéristiques aérodynamiques, telles que les ailes avant et arrière, les déflecteurs et les diffuseurs.

La traînée est un type de résistance à l'air qui réduit la vitesse de la voiture lorsqu'elle se déplace. Il agit à l'opposé du mouvement relatif du véhicule par rapport à l'air. Pensez aux oiseaux; ils ont des corps profilés qui réduisent la traînée et leur permettent de voler plus efficacement. C'est la même chose avec les voitures de F1.

La carrosserie de la voiture est simplifiée en lissant les contours de la carrosserie, en minimisant les arêtes vives et en réduisant la zone frontale de la voiture, ce qui contribue à réduire les turbulences et la traînée.

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Les caractéristiques aérodynamiques aident également à minimiser la portance, qui est la force ascendante agissant sur la voiture lorsqu'elle se déplace. Il mesure la différence de pression au-dessus et au-dessous du véhicule lorsqu'il se déplace dans l'air ambiant. La portance dépend principalement de la forme et de l'orientation de la carrosserie de la voiture.

Les ailes avant et arrière fonctionnent en tandem avec les diffuseurs sous la voiture pour créer une zone de basse pression, générant une force d'appui. La force d'appui contrecarre la portance pour augmenter l'adhérence et la stabilité du véhicule, permettant au conducteur de tourner les virages à des vitesses plus élevées sans perdre le contrôle.

Les équipes utilisent des souffleries pour tester diverses formes et conceptions de carrosserie afin de minimiser la traînée tout en maximisant l'appui (bien que la vitesse utilisée dans les essais en soufflerie soit limitée à un maximum de 180 km/h, ce qui ne leur permet pas de tester tous les aspects de la voiture. performances complètes et il y a des limites sur le temps que l'on peut passer dans la soufflerie, en fonction de l'endroit où l'équipe s'est classée la saison dernière).

Ces tests en soufflerie aident les équipes à optimiser les caractéristiques aérodynamiques de la voiture pour améliorer les performances sur la piste avant chaque saison de course.

Les moteurs utilisés en F1 sont des équipements très sophistiqués et jouent évidemment un rôle énorme dans la vitesse et les performances de la voiture.

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Les règles de la F1 définissent les spécifications du moteur. Depuis 2014, les moteurs de F1 doivent être des moteurs V6 hybrides à quatre temps d'une cylindrée de 1,6 litre et d'un turbocompresseur pour augmenter la puissance (avec un alésage de 80 mm et une course de 53 mm). Le turbocompresseur force plus d'air dans le moteur, ce qui se traduit par plus de puissance. Ceci est réalisé en utilisant les gaz d'échappement pour faire tourner une turbine, qui alimente un compresseur qui force plus d'air dans le moteur.

La puissance produite par un moteur de F1 dépend de sa vitesse de rotation, et depuis 2021, celle-ci est limitée à 15 000 tours par minute (rpm). En comparaison, une routière de dimensions similaires tourne généralement autour de 6 000 tr/min, soit la moitié d'une F1 !

Le moteur d'une F1 produit une puissance de près de 1 000 chevaux ! 1 unité de puissance mécanique (une mesure impériale) est l'énergie nécessaire pour soulever 250 kg de poids à un pied au-dessus du sol en 1 seconde. Le moteur est l'un des composants les plus chers d'une voiture de F1, et les équipes investissent massivement dans le développement et l'optimisation de leurs moteurs.

De plus, la puissance du moteur est renforcée par la technologie hybride. Depuis 2014, selon la réglementation de la FIA (l'instance dirigeante de la course automobile), les équipes de F1 doivent utiliser des moteurs hybrides intégrant des moteurs électriques et une batterie. La configuration hybride comprend deux moteurs électriques, l'un appelé MGU-K, qui est alimenté par une batterie et ajoute de la puissance au vilebrequin, et un second appelé MGU-H, qui gère le turbocompresseur.

Cette énergie est stockée dans une batterie et peut être utilisée pour alimenter le moteur électrique et booster le moteur. La technologie hybride permet également aux voitures de récupérer de l'énergie lors du freinage pour une utilisation ultérieure. Cette technologie est appelée système de récupération d'énergie cinétique ou KERS et est discutée en détail dans une section ultérieure.

Les moteurs des voitures de F1 sont conçus pour être compacts, légers et très efficaces. Les voitures de F1 sont capables de convertir 50 % de l'énergie du carburant en électricité. En comparaison, les voitures de route ne peuvent convertir qu'environ 20 % ! L'une des façons dont ils convertissent le carburant supplémentaire consiste à utiliser un allumage par préchambre, dans lequel il y a une chambre secondaire plus petite à l'intérieur de chaque cylindre qui s'enflamme en premier.

Une plus grande efficacité est également obtenue en utilisant une ingénierie et des matériaux avancés (abordés dans la section suivante), la turbocompression et la technologie hybride.

Fait amusant : toutes les équipes ne les fabriquent pas en raison des coûts élevés de fabrication d'un moteur de F1. Actuellement, seules quatre équipes fabriquent des moteurs sur la grille, Ferrari, Red Bull, Mercedes et Alpine.

La sécurité des pilotes est de la plus haute importance en F1, et les matériaux utilisés dans les voitures de F1 sont choisis avec un soin extrême. Il existe des réglementations très strictes concernant le type de matériaux utilisés pour assurer la sécurité du conducteur. Cependant, les matériaux utilisés doivent également améliorer les performances de la voiture.

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Les progrès technologiques dans les matériaux ont permis aux voitures de F1 de devenir plus rapides, plus sûres, plus durables et plus légères que jamais. Une voiture moins lourde offre une accélération, une vitesse et une agilité améliorées tout en assurant la sécurité du conducteur.

Le matériau le plus couramment utilisé dans les voitures de F1 est le composite de fibre de carbone qui représente environ 80 % de la voiture. Les composites en fibre de carbone offrent plusieurs avantages, tels qu'une résistance élevée, un faible poids et une rigidité élevée. Cela les rend idéaux comme matériaux pour la construction du châssis, qui est le châssis de la voiture.

Au cours de leur processus de fabrication, l'augmentation de la température et l'application d'une tension augmentent le module (le rapport de la contrainte (le long d'un axe à la déformation le long de cet axe) des fibres de carbone, ce qui les rend plus durables. Outre les fibres de carbone, les composites à matrice céramique sont utilisés dans le système de freinage car ils ont une résistance spécifique élevée, ce qui signifie qu'ils sont relativement solides par rapport à leur poids.

En raison de leur rapport résistance/poids élevé, d'autres matériaux comme le titane sont utilisés pour construire des composants critiques tels que la suspension et la boîte de vitesses. Et le magnésium est utilisé dans la construction du carter de boîte de vitesses et des roues en raison de sa légèreté et de sa haute résistance.

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De plus, des fibres de nylon sont utilisées pour construire la monocoque (la "cellule" qui protège le pilote de Formule 1), le support structurel fondamental de la voiture. La monocoque est extrêmement solide et rigide pour protéger le conducteur en cas d'accident. Il est également conçu pour être léger afin de garantir que la vitesse de la voiture n'en soit pas affectée.

Certains matériaux, tels que le kevlar et d'autres fibres d'aramide, sont utilisés pour fabriquer des équipements de protection, tels que des casques et des combinaisons de conducteur, afin d'améliorer la sécurité. Ce sont des matériaux légers qui protègent le conducteur sans ajouter beaucoup de poids à la voiture. Ceci est important car le poids minimum d'une voiture de Formule 1 (à partir de 2023) est de 798 kg (1 759 lb), pilote compris, mais pas le carburant. Ainsi, chaque gramme de plus peut faire une différence.

Les équipes de F1 utilisent des techniques d'ingénierie innovantes telles que l'analyse de la dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour améliorer les performances des voitures. Il s'agit essentiellement d'une simulation de la voiture de F1 pour évaluer l'impact des gaz (qui sont des fluides) sur les performances de la voiture.

La technique consiste à utiliser des algorithmes informatiques pour résoudre des équations aérodynamiques mathématiques et physiques. Les simulations CFD aident à optimiser le flux d'air au-dessus et autour du véhicule, réduisant la traînée et améliorant la force d'appui.

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Les équipes de F1 utilisent également l'analyse des données pour améliorer les performances des voitures. Ils collectent de grandes quantités de données pendant les essais et les courses, notamment l'usure des pneus, la consommation de carburant, les performances du moteur et le comportement du conducteur. Ces données sont analysées à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique pour identifier les domaines à améliorer dans la conception, la configuration et la stratégie des voitures.

Il y a eu plusieurs avancées technologiques en F1 depuis la création du sport. Cependant, deux se sont démarqués ces dernières années : le KERS (évoqué plus haut) et les systèmes de stockage d'énergie (ESS).

Le KERS est utilisé pour exploiter l'énergie générée lors du freinage. L'énergie cinétique de la voiture est convertie en énergie électrique à l'aide d'un moteur ou d'un générateur via un processus appelé freinage régénératif. Cette énergie électrique est stockée soit dans une batterie (KERS électrique), soit dans un volant (système Flybird), appelé ESS.

Plus tard, l'énergie stockée peut alimenter le moteur électrique de la voiture et fournir une accélération supplémentaire. L'utilisation de l'ESS en F1 est devenue de plus en plus importante alors que les équipes cherchent à améliorer les performances tout en réduisant la consommation de carburant et les émissions. Le développement d'ESS plus efficaces et plus légers est un domaine de recherche et de développement en cours dans l'industrie automobile.

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Les innovations se produisent toujours à chaque saison. Il y a beaucoup plus à attendre alors qu'Audi a annoncé son intention de rejoindre la grille en 2026 !

Il faut tout un village pour concevoir une voiture de F1 capable de parcourir plus de 300 kilomètres à l'heure. Et dans cet article, nous avons exploré toutes les différentes parties de ce village.

Chaque détail de la voiture affecte sa vitesse et ses performances, de l'aérodynamique aux technologies innovantes. Au fur et à mesure que la science, les mathématiques, l'ingénierie et l'informatique évoluent, les nouvelles technologies repousseront les limites des possibilités en F1.

Les possibilités sont infinies et passionnantes, car il s'agit de courses automobiles à la pointe de la technologie !