Petit rappel sur les bases du tube de Pitot 

Commençons par un bref rappel des principes physiques sous-jacents. Le tube de Pitot, nommé d'après l'ingénieur français Henri Pitot qui l'a inventé en 1732, mesure la vitesse d'écoulement d'un fluide en exploitant la relation entre la pression statique, la pression dynamique et la pression totale.

• Pression statique (Ps) : la pression ambiante du fluide, mesurée perpendiculairement à la direction de l'écoulement. Pensez-y comme à la pression que vous ressentiriez si vous étiez dans le flux d'air en vous déplaçant à sa vitesse, on l’appelle aussi la pression thermodynamique. Dans le secteur CVC, il s’agit de la pression mesurée dans un conduit sans l'influence de l'air en mouvement.

• Pression dynamique (Pd) : la pression causée par le mouvement du fluide. C'est la pression que vous ressentiriez si vous teniez votre main à la fenêtre d'une voiture en mouvement. Elle est directement liée à l'énergie cinétique du fluide.

• Pression totale (Pt) : la somme des pressions statique et dynamique (Pt = Ps + Pd). C'est la pression mesurée lorsque le fluide est amené à l'état d'équilibre isentropique (sans perte d'énergie due au frottement ou à la chaleur). C'est ce que mesure l'ouverture avant d'un tube de Pitot, aussi appelé « point d’impact ».

Le tube de Pitot lui-même comporte deux éléments clés : 

1. Une ouverture orientée directement vers le flux de fluide. Elle capture la pression totale (Pt).
2. Plusieurs petits orifices situés sur le côté du tube, perpendiculairement au flux. Ils mesurent la pression statique (Ps). 

En mesurant la différence entre la pression totale (Pt) et la pression statique (Ps), nous obtenons la pression dynamique (Pd). L'équation de Bernoulli fournit la relation suivante : Pd = 0,5 * ρ * V² 

Où : 

• Pd = Pression dynamique
• ρ (rho) = Densité du fluide (densité de l'air dans notre cas)
• V = Vitesse du fluide 

Pour obtenir la vitesse V, l’équation bascule ainsi : V = √(2 * Pd / ρ)

Par conséquent, en mesurant la différence de pression (Pd) et en connaissant la densité de l'air (ρ), nous pouvons calculer avec précision la vitesse de l'air (V). La densité de l'air est calculée en tenant compte de la température et de la pression statique. 

Les professionnels utilisent ce principe tous les jours lorsqu’ils mesurent le débit d'air dans des conduits. Mais dans le domaine de la F1, les choses deviennent... un peu plus intenses !

Les débuts des tubes de Pitot en F1 : de simples compteurs de vitesse

Aux débuts de la Formule 1, les tubes de Pitot avaient une fonction relativement simple : mesurer la vitesse de l'air. Un seul tube de Pitot, souvent monté sur le nez de la voiture, fournissait une lecture de base de la vitesse au pilote et aux ingénieurs. Cette information était précieuse, mais ce n'était que la partie visible de l'iceberg. Elle pouvait être utilisée pour aider le pilote et l’électronique embarquée à adapter le contrôle du bolide à chaque situation en temps réel.

La révolution aérodynamique : les tubes de Pitot passent à la haute technologie

Alors que la Formule 1 se concentrait de plus en plus sur l'aérodynamique, le rôle du tube de Pitot a considérablement évolué. Il est passé d'un simple indicateur de vitesse à un outil sophistiqué permettant de comprendre et de manipuler le flux d'air tout autour du véhicule. Voici comment :

• Essais en soufflerie : C'est là que la magie a vraiment commencé. Les ingénieurs ont commencé à utiliser des réseaux de tubes de Pitot - parfois des dizaines, voire des centaines, disposés en grilles précises - pour cartographier le flux d'air autour de la voiture dans les souffleries. Cela leur a permis de « voir » les forces invisibles en jeu, en identifiant les zones de haute et basse pression, de séparation et de turbulence.

• Validation sur piste : Ce qui fonctionne en soufflerie ne se traduit pas toujours parfaitement sur la piste. Les équipes ont donc commencé à utiliser des tubes de Pitot pendant les séances d'essais pour recueillir des données réelles, les comparer à leurs résultats en soufflerie et affiner leurs conceptions.

• Télémétrie en temps réel : Les voitures de F1 d'aujourd'hui sont truffées de capteurs, et les tubes de Pitot sont un élément crucial de ce réseau de capteurs. Les données mesurées sont transmises en direct aux ingénieurs pendant les courses, fournissant un flux constant d'informations sur les performances et le comportement aérodynamiques de la voiture.

Applications modernes des tubes de Pitot en F1 : au-delà de la vitesse 

Voyons plus en détail comment les tubes de Pitot sont utilisés dans la F1 moderne. Ils servent à bien plus que mesurer la vitesse globale : 

• Les grilles aérodynamiques : vous avez probablement déjà vu ces grandes structures complexes, souvent montées derrière les roues avant ou près de l'aileron arrière, qui ressemblent à des peignes géants. Ce sont des grilles aérodynamiques truffées de tubes de Pitot.
       . Rôle : ces grilles créent une carte 3D détaillée du flux d'air dans des zones spécifiques de la voiture. Cela permet aux ingénieurs de visualiser les schémas complexes de flux, d'identifier les endroits où l'air se sépare de la carrosserie (séparation de couche limite créant une traînée) et de comprendre comment les différents éléments aérodynamiques de la voiture interagissent.
       . Importance : ces mesures sont essentielles pour optimiser l'appui aérodynamique (la force qui pousse la voiture vers le bas sur la piste, améliorant ainsi son adhérence) et minimiser la traînée (la force qui résiste au mouvement de la voiture).

• Optimisation de l'angle des ailerons : l'angle des ailerons avant et arrière est constamment ajusté pour trouver l'équilibre parfait entre l'appui aérodynamique et la traînée pour différents virages et conditions de piste. Des tubes de Pitot, montés sur les ailes elles-mêmes, aident à mesurer la répartition de la pression sur la surface de l'aile, ce qui permet d'ajuster le réglage.

• Analyse du flux sous le plancher : Le dessous du plancher d'une voiture de F1 est une source majeure d'appui aérodynamique. Des tubes de Pitot placés sous la voiture mesurent le flux d'air dans cette zone critique, aidant les ingénieurs à optimiser la conception du diffuseur et d'autres éléments sous le plancher.

• Refroidissement des conduits de frein : tout comme il faut assurer une bonne circulation de l'air pour le refroidissement dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, les ingénieurs de F1 doivent gérer la chaleur intense générée par les freins. Les tubes de Pitot mesurent le débit d'air entrant dans les conduits de frein, assurant un refroidissement adéquat et empêchant la perte de freinage (ou pire, la défaillance !)

• Études du sillage des pneus : la turbulence de l'air autour des pneus (le « sillage ») peut perturber considérablement le flux d'air sur le reste de la voiture. Les tubes de Pitot aident les ingénieurs à comprendre et à minimiser cette perturbation.

• Validation CFD : la dynamique des fluides numérique (CFD) est largement utilisée pour simuler les flux d'air, mais ces simulations doivent être validées par rapport à des données réelles. Les mesures des tubes de Pitot fournissent cette validation cruciale.

Les défis sans limite de la technologie Pitot en F1

L'utilisation de tubes de Pitot dans l'environnement extrême d'une voiture de F1 présente des défis uniques :

• Vibration : Imaginez les vibrations subies par un tube de Pitot à 320 km/h ! Ces vibrations peuvent affecter la précision des mesures, les tubes doivent donc être incroyablement robustes et soigneusement montés.

• Température : La température de l'air change rapidement pendant une course, ce qui affecte la densité de l'air et donc les calculs de vitesse. Des capteurs de température sont utilisés en plus des tubes de Pitot pour faire la compensation en temps réel sur la mesure.

• Sensibilité au lacet et au tangage : les tubes de Pitot sont plus précis lorsqu'ils sont alignés directement avec le flux d'air. Mais une voiture de F1 tourne, accélère et freine constamment, ce qui signifie que l'angle du flux d'air change constamment. Des algorithmes sophistiqués sont utilisés pour corriger ces variations.

• Effets de blocage : le tube de Pitot lui-même peut légèrement perturber le flux d'air qu'il tente de mesurer. Les ingénieurs minimisent cet effet grâce à une conception soignée et à un placement stratégique du tube sur le véhicule.