Glissante glace

« Ca glisse trop! » gémissait mon numberone perché en haut d’une piste qui bien qu’elle fût noire lui en faisait voir de toutes les couleurs! C’est vrai, au fait: pourquoi la neige glisse-t-elle autant?

T’as le feu aux skis?

Jusque récemmente, en fidèle fan de « C’est pas Sorcier », l’émission de France3 -j’assume!- je m’en tenais aux explications de Jamel dans l’extrait ci-dessous [1]: d’abord ce n’est pas la neige qui glisse, mais l’eau. En frottant la neige sur son passage, le ski la fait fondre, créant un petit tapis de gouttelettes d’eau sur lesquelles on glisse.

La thèse est acceptée jusqu’en Alaska [2], où à l’institut de géophysique on a calculé que les skis dégagent par frottement autant de chaleur que des ampoules de 100 Watt chacun. Pas étonnant qu’on fatigue, avec toute cette énergie dépensée juste pour faire fondre la neige!
Les frottements seraient-ils donc à la fois ce qui s’opposent le plus au mouvement et ce qui le rend possible? Voire…

Cette démonstration ne me convainc qu’à moitié car on glisse sur la glace même quand on est à l’arrêt (donc sans friction): essayez donc de tenir debout sur une patinoire, même sans bouger… Et puis une surface gelée est ce qui se rapproche le plus d’une surface « sans frottements » comme on les aime en cours de physique: il est paradoxal d’invoquer ces frottements pour expliquer un glissement qui n’en a pas. On doit donc chercher ailleurs les raisons pour lesquelles la glace glisse, indépendamment des forces de frottements.

Pression à froid

En attendant, vous faites une bataille de boules de neige pour vous défouler: vous prenez une poignée de neige, la comprimez légèrement pour qu’elle tienne bien en main (et en l’air). Eurêka, voilà la clef! Si votre boule de neige est devenue ferme, c’est qu’elle a un peu fondue. Vous l’avez donc faite légèrement fondre en la comprimant dans vos mains! C’est une des propriétés bizarres de l’eau que de fondre plus facilement sous la pression. Ce qui est cohérent avec le fait que la glace flotte sur l’eau liquide, contrairement aux autres fluides.

La preuve? Si vous placez un fil de fer lesté autour d’un pain de glace, le fil va petit à petit traverser le bloc et la glace va se refermer derrière son passage, comme par magie. Sous l’effet de la pression exercée par le fil, la glace fond en dessous. Sitôt le fil passé, la pression diminue et l’eau regèle (illustration tirée du livre [3] où j’ai trouvé cette explication).

Pour ceuces que ça intéresse, ce phénomène de fusion aux pressions élevées se traduit par une courbe de transition solide-liquide légèrement inclinée sur la gauche dans le diagramme des phases de l’eau (source: Wikipedia). Alors que pour la plupart des autres corps cette courbe est inclinée vers la droite et une pression forte favorise le gel.

Remontons sur nos skis: le poids du skieur exerce une pression supplémentaire sur la neige de l’ordre de 1400 Pascal. Sur le diagramme l’état de la neige passe du point bleu (0°, pression atmosphérique) au point rouge (toujours 0° mais  davantage de pression) sous cette pression. Point rouge qui est dans la zone où l’eau est liquide, la neige fond et le skieur glisse sur les gouttelettes.

C’est une explication complémentaire à celle de la fusion par frottement, mais qui marche même à l’arrêt. Ça explique au passage pourquoi on glisse mieux quand on est un peu plus lourd, jusqu’à une certaine limite: si on est trop lourd les forces de frottements reprennent l’avantage!

On comprend aussi pourquoi la glace qui sort du congélateur colle les doigts: sa température est tellement basse qu’il faudrait une pression colossale pour la faire fondre. Mais pas de panique, les Canadiens ont inventé le patin à glace chauffant qui fait fondre la glace bien plus efficacement et permet de patiner plus vite. Paraît que ça marche même dans son congélateur.

La prochaine fois, promis, je vous raconte que des histoires de liquides brûlants pour vous réchauffer.

[1] Ski surf and fun » l’émission de C’est pas Sorcier sur FR3
[2] Surfing on snow, Alaska Science forum, 1994
[3] Physique d’Eugène Hecht (1999)

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11 comments for “Glissante glace

  1. Goulu
    25/03/2009 at 13:04

    >Bonne idée le patin chauffant. Mais c’est interdit en compétition. Un institut allemand (ex de l’est) spécialisé en technologie du sport a mis au point des lames pour patinage de vitesse qui s’auto-chauffent par friction sur la glace. Comme c’est passif, c’est autorisé.J’ai vu un reportage là dessus mais je ne retrouve pas de lien …

  2. Patrice
    25/03/2009 at 20:10

    >Bonjour.J’ai pas compris : »Ce qui explique que la glace flotte sur l’eau liquide contrairement aux autres fluides. »:(

  3. Xochipilli
    25/03/2009 at 20:46

    >@Patrice: aux alentours de son équilibre liquide-solide, le fluide sous pression tend à prendre sa forme la plus compacte. Dans le cas de l’eau cette pression pousse dans le sens d’une fusion: c’est donc cohérent (plutôt que ça « n’explique » – je reconnais que le terme est un peu impropre) avec une phase liquide plus dense que la glace.

  4. W.
    08/04/2009 at 11:07

    > »lors que pour la plupart des autres corps cette courbe est inclinée vers la droite et une pression forte favorise le gel. »C’est cette même inclinaison de pente qui expliquerait la formation possible de la neige. N’ayant pas le mécanisme en tête je suis obligé de croire sur parole mon ancien professeur de physique de prépa. Mais il expliquait le glissement des skis et des patins à glace par la pression plus forte lui aussi, donc forcément quelqu’un de bien.A noter que seul le bismuth présente la même pente négative. Donc on peut skier sur le bismuth aussi.

  5. Xochipilli
    08/04/2009 at 22:06

    >@W: je n’ai pas bien compris le lien avec la neige. On peut effectivement skier sur du bizmuth, mais aussi (d’après Wikipedia, rubrique « Clapeyron ») sur de l’antimoine ou même du germanium: sympa, non?

  6. W.
    09/04/2009 at 10:58

    >@XochipilliComme vous, le lien avec la neige m’échappe car je ne connais pas le mécanisme de formation du flocon. C’est un vieux souvenir de prépa. (30 minutes se passent…) Et vu comme je suis overbooké j’ai le temps de faire des recherches sur le mécanisme en question. Le lien « pente négative » et flocon reste mystérieux : le flocon c’est de la vapeur d’eau qui se solidifie autour d’impuretés puis ensuite la croissance dépend des conditions extérieures (température, concentration de vapeur etc.) Je n’ai pas vu de lien avec notre sujet car même à très faible température, sans couche liquide, le flocon se forme. Il n’a juste pas la même forme (forme plus découpée)Bon, au temps pour moi. Pour les éléments présentant une pente négative, effectivement ils sont plusieurs cf. http://alainrobichon.free.fr/cours/Physique/Thermodynamique/Equilibres_du_corps_pur.pdf « Pour l’eau, (ainsi que pour Bi, Ga, Sb, Si, Ge) , la courbe de fusion présente une pente négative »Un autre mythe qui s’écroule. Vous êtes embêtants vous, vous savez ? M’obliger à « factualiser » des souvenirs comme ça et les infirmer. C’est vexant.

  7. Xochipilli
    09/04/2009 at 20:57

    >@ W. « au temps pour moi »: j’apprécie!Remettre à plat ce qu’on a toujours pris pour vrai, c’est tout le plaisir de la démarche scientifique, non? C’est vrai qu’il y a quelque chose d’un peu masochiste là dedans. Comme les romans dont le principe est essentiellement de nous frustrer en permanence d’une issue simple mais sans intérêt): ça me donne des idées de billet tout ça!

  8. Anonymous
    22/10/2010 at 16:30

    >"Remontons sur nos skis: le poids du skieur exerce une pression sur la neige de l'ordre de 14 atmosphères."Vous ne rougissez jamais en admettant de telle chose …

  9. Xochipilli
    22/10/2010 at 23:25

    >@anonyme: euh non, je ne rougis pas trop: la surface de mes skis est d'environ 0.5m² et je pèse 70kg. Ca me donne une pression de 1.4 millions de Pascal (70000*10/0.5), donc 14 atmosphères. Fais-je une erreur?

  10. Anonymous
    23/10/2010 at 11:32

    >l’unité international pour la masse est en kg et pas en g …

  11. Xochipilli
    23/10/2010 at 12:31

    >@Anonyme: oups! Et en plus j'ai récidivé! Heureusement qu'il y a des anonymes pour relever mes âneries. Voilà, j'ai corrigé dans le texte. Merci!

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