Le vetture di Formula 1 sono monoposto usate per correre nella massima formula dell'automobilismo mondiale, la Formula 1; nel corso del tempo hanno cambiato più volte il loro aspetto, anche radicalmente, sia per effetto delle invenzioni e intuizioni di progettisti e costruttori, sia per rispettare i mutevoli parametri del regolamento, che più volte è intervenuto a limitare gli eccessi di talune soluzioni, o a ridefinire alcuni parametri (ad esempio, la cilindrata dei motori), spesso per ragioni di sicurezza.

Aerodinamica e prestazioni velocistiche La configurazione aerodinamica delle moderne auto di Formula 1 si è definita nelle sue grandi linee nel periodo 1968-1974; sei anni durante i quali fecero la loro comparsa gli alettoni (posteriori e anteriori), le pance laterali e il "periscopio" centrale. Sono questi gli elementi che ancora oggi, seppure con un'infinità di sviluppi e affinamenti, caratterizzano queste vetture, con l'aggiunta della raffinata (ma poco evidente dall'esterno) struttura aerodinamica che caratterizza la parte inferiore del retrotreno; nonché di una serie di variopinte appendici, giunte al loro massimo sviluppo nel periodo 2005-2008, ma abolite per regolamento a partire dalla stagione 2009.

A rallentare in rettilineo le vetture di Formula 1 è la resistenza aerodinamica provocata dalle ruote scoperte prive di carenatura e dagli alettoni necessari a sviluppare il carico aerodinamico, che però le rende veloci in curva; da cui un complicato lavoro di bilanciamento che impegna piloti e ingegneri per adattare le auto alle caratteristiche di ciascun circuito. Alcune monoposto (tra cui quelle dotate di minigonne nel periodo 1978-1982 e, più di recente, la Red Bull nel periodo 2012-2013) producono un grande carico aerodinamico con il semplice corpo-vettura; questo le rallenta come velocità di punta, ma consente anche l'utilizzo di ali più scariche, che a loro volta generano una ridotta resistenza all'avanzamento. Viceversa, vetture con un corpo-vettura poco deportante devono utilizzare ali più cariche, soprattutto sui circuiti misto-lenti, mentre risultano avvantaggiate sui circuiti più veloci, che però (dopo le radicali modifiche apportate a tracciati come Silverstone, Hockenheim o Spielberg) sono di fatto ormai scomparsi.

Eliminando quasi completamente le appendici aerodinamiche e usufruendo anche di pneumatici più stretti, nei primi mesi del 2006 una Honda di Formula 1, in un doppio test al Bonneville Speedway e nel Deserto del Mojave, raggiunse una velocità di 413 km/h, pari a 258 miglia orarie. Secondo la Honda, la vettura era totalmente conforme ai regolamenti della Federazione.

Le Alfa Romeo 158 e 159, agli inizi degli anni 1950 in rettilineo superavano già i 300 km/h, ma la loro tenuta in curva era notevolmente inferiore rispetto alle auto attuali.

Le elevate prestazioni velocistiche delle auto di Formula 1 non dipendono tanto dalla velocità di punta, bensì dalla consistente accelerazione (0/200 km/h in poco più di 5,0 secondi) e dalla velocità di percorrenza in curva. Nel 2016 sono state comunque cronometrate le più alte velocità di punta della storia della Formula 1: la Williams ha dichiarato che Valtteri Bottas al volante della FW38 ha toccato la velocità di 378 km/h durante le prove del G.P. d'Europa 2016, disputatosi a Baku; lo stesso Bottas è stato cronometrato alla velocità di 372,5 km/h durante il G.P. del Messico e questa sua prestazione è, ad oggi, il record ufficiale di velocità in un G.P. di Formula 1. Tuttavia, si stima che tra il 1968 ed il 1971 a Monza alcune auto abbiano superato la velocità di 390 km/h, beneficiando dell'effetto-scia che rese estremamente veloci e movimentate quelle 4 edizioni del G.P. d'Italia. La pista brianzola, consentendo di viaggiare con gli alettoni quasi scarichi, favorisce le prestazioni velocistiche.

Non si tratta però di un record assoluto, dato che in altre categorie si sono raggiunte velocità decisamente superiori: alla 500 Miglia di Indianapolis nel 2014 le vetture in prova hanno viaggiato alla media di 371 km/h; e nel 1996 Paul Tracy con una Penske sul catino del Michigan toccò la velocità di 413 km/h. A Le Mans, durante la 24 Ore del 1988 la WM-Peugeot guidata da Roger Dorchy toccò la velocità di 405 km/h.

La velocità in curva di una macchina di Formula 1 è determinata principalmente dalle forze aerodinamiche che spingono la vettura verso il basso, aumentando così la tenuta delle gomme e l'aderenza al suolo. Le auto sono leggere, ma gli alettoni con l'aumentare della velocità conferiscono a esse un peso aggiuntivo che però non ha inerzia, e che cresce con l'aumentare della velocità, sfruttando il principio opposto a quello che fa volare gli aerei ("schiacciando" così l'automobile al suolo: si veda il Principio di Bernoulli, e si consideri che le ali di una monoposto sono rovesciate rispetto a quelle di un aereo, schiacciando la vettura al suolo a tutto vantaggio della guidabilità). A 160 km/h, la forza generata verso il basso è uguale al peso della vettura; ma quando si viaggia alla massima velocità, essa può essere pari a 2,5 volte il peso della vettura. Inoltre, in curva si genera una forza trasversale che può arrivare a 4,5 G (= 4 volte e mezzo la forza di gravità; mentre in una normale vettura stradale essa è di circa 0,85/1,00 G). Con queste forze laterali respirare diviene difficoltoso e la guida si trasforma in una vera e propria attività atletica, che richiede ai piloti una presentazione atletica tra le migliori del mondo.

Lewis Hamilton a Monza nel 2020, al volante della Mercedes-AMG F1 W11 EQ Performance turbo-ibrida, ha stabilito il record assoluto di velocità media sul giro: 264,362 km/h percorrendo la pista brianzola nel tempo di 1'18"887. Juan Pablo Montoya, con la Williams-BMW FW26, sempre a Monza nel 2004 aveva fatto registrare la media di 262,24 km/h, primato nell'era dei motori aspirati; questa performance, tuttavia, venne registrata in Q2 e pertanto non gli valse la pole position, che andò a Rubens Barrichello, il quale in Q3 girò alla media di "soli" 260,40 km/h. Il record precedente nell'era turbo era stato ottenuto da Keke Rosberg con la Williams-Honda FW10 a Silverstone nel 1985, con la media di 258,90 km/h.

L'incremento delle prestazioni registrato sui singoli circuiti è misurabile solo per poche piste, che non hanno conosciuto modifiche strutturali per lunghi periodi di tempo. Per esempio, sulla pista francese di Le Castellet nel 1971 Jackie Stewart ottenne la prima casella della griglia con il tempo di 1'50"71, mentre nel 1985 la pole di Keke Rosberg fu ottenuta con il tempo di 1'32"426: 18 secondi in meno, pari a un incremento delle prestazioni del 16,5%.

Sulla pista inglese di Brands Hatch la pole spettò a Jim Clark nel 1964 con il tempo di 1'38"1; a Niki Lauda nel 1974 con il tempo di 1'19"7 (= 18"5 in meno, con un miglioramento del 18,8%); a Nelson Piquet nel 1986 con il tempo di 1'06"961 (= 12"8 in meno rispetto a dodici anni prima, con un ulteriore incremento del 16%).

Al Nurburgring Alberto Ascari partì al palo nel 1951 con il tempo di 9'55"9, e nel 1952 con quello di 10'04"4. Nel 1963 Jim Clark con la Lotus 25 segnò 8'45"8, e nel 1965 con la Lotus 33 scese a 8'22"7. Nel 1969 Ickx con la Brabham scese a 7'42"1, e nel 1975 Lauda con la Ferrari segnò 6'58"6. In ventiquattro anni (dal 1951 al 1975) vi fu pertanto una riduzione del 30% del tempo sul giro.

Sulla pista malese di Sepang il giro più veloce in gara nel 1999 venne ottenuto da Michael Schumacher in 1'40"267 alla media di 198,980 km/h; nel 2004 Juan Pablo Montoya girò in 1'34"223; Mark Webber nel 2011 ha girato più lento che nel 1999, in 1'40"571, per effetto delle continue modifiche regolamentari che di anno in anno hanno puntato a contenere le prestazioni. Le prestazioni sono poi nuovamente cresciute e Sebastian Vettel nel 2017 ha fatto segnare il tempo di 1'34"080 facendo segnare il nuovo record sul giro. I tempi stabiliti nel 2004 sono stati a lungo imbattuti su molti circuiti. In alcune stagioni, i tempi registrati in prova sono diventati poco significativi, per effetto delle diverse imposizioni regolamentari che hanno ridotto l'impatto velocistico delle qualifiche, durante le quali in passato si registravano velocità estremamente più rapide rispetto alla gara.

Talvolta le prestazioni ottenute da vetture di Formula 1 sono così esasperate da potere essere battute solo da altre vetture di Formula 1. Per esempio sulla pista di Dijon-Prenois, dove le F1 non corrono dal 1984, sono ancora oggi imbattuti i tempi fatti registrare da Alain Prost in prova nel 1982 e in gara nel 1984.

Tecnologie abolite Una grande varietà di tecnologie sono state progressivamente bandite dai regolamenti, fra queste: traction control, dispositivo per il controllo automatico della trazione, abolito alla fine della stagione 2007; sospensioni attive; appendici aerodinamiche mobili (divieto parzialmente rimosso nella stagione 2009: ai piloti è stato consentito di regolare dall'abitacolo l'incidenza dei flap anteriori di un massimo di 6 gradi, per due volte nell'arco di ogni giro. Nel 2011 è invece consentito di regolare l'incidenza dell'ala posteriore, ma soltanto in un tratto di pista predeterminato e solo al pilota che segue da vicino un avversario con l'utilizzo del sistema DRS); sovralimentazione del motore (dalla stagione 1989 al 2013). I motori turbo sono stati reintrodotti dal 2014; zavorre mobili (come mass damper o doppi serbatoi) e dispositivo di stallo "F-Duct" (utilizzato solo nel 2010); doppio diffusore (usato dalla Brawn GP campione del mondo 2009). Bandito dal 2010; DAS (Dual Axis Steering, usato dalla Mercedes nel 2020). Bandito dal 2021.

Nel corso degli anni, la tecnica di guida ha conosciuto costanti evoluzioni, ma l'obiettivo di tutti i piloti è sempre stato quello di accelerare il più possibile e il prima possibile durante i tratti curvilinei; sicché il lavoro di telaisti, motoristi e gommisti è costantemente attivo in questa direzione. Particolarmente ingegnosa (ma anche pericolosa) fu la soluzione adottata nel periodo 1977/1982 e basata sul cosiddetto effetto suolo, ottenuto sigillando il flusso d'aria tra monoposto e suolo mediante delle bandelle laterali (le cosiddette minigonne, dapprima spazzole a diretto contatto con l'asfalto, in seguito paratie con un'estremità resistente all'abrasione e spinte al suolo da un sistema di molle) abbinate al disegno del fondo vettura ad ala rovesciata. Esse furono poi vietate dopo i gravi incidenti della stagione 1982 per motivi di sicurezza, onde diminuire la velocità in curva delle auto, anche perché l'effetto suolo, schiacciando le vetture al terreno, rendeva impegnativi e difficili i cambi di direzione. Inoltre, se la "minigonna" non si trovava più a perfetto contatto con il suolo (cordoli, sollevamento di una ruota, incidenti), l'auto perdeva improvvisamente aderenza e diventava ingovernabile, pericolosa da guidare.

Ideazione di una vettura Fino alla fine degli anni 1980, ogni auto di Formula 1 fu principalmente il frutto della concezione del capo-progettista di ciascuna squadra, nomi come Colin Chapman, Harvey Postlethwaite, Mauro Forghieri, John Barnard, Gordon Murray o Patrick Head erano legati alle monoposto di cui curavano la nascita e lo sviluppo.

Nei successivi venti anni le cose sono molto cambiate e da allora ogni auto è stata frutto di un lavoro collettivo, anche se alcuni nomi (come quelli di Adrian Newey e Rory Byrne) ancora oggi si contraddistinguono per le loro intuizioni creative.

Innovazioni tecniche e limitazioni regolamentari Le auto più innovative della storia possono essere considerate quelle citate qui di seguito, per ciascun principale componente delle auto medesime

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