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Comment les patins et les skis glissent-ils sur la glace et la neige?
Un mince film d'eau permet aux patins et aux skis de glisser aisément sur la glace et sur la neige. Le frottement des patins ou des skis sur la surface produit de la chaleur, qui la fait fondre.
Les patineurs peuvent filer sur la glace à plus de 60 km/h. Cette vitesse formidable est possible grâce à un mince film d'eau entre la lame des patins et la glace. Les sportifs qui font de la luge ou du ski glissent aussi sur un film d'eau. Mais comment se forme cette mince couche d'eau ?
La pression seule ne sert à rien
En 1886 déjà, des scientifiques supposaient l'existence d'un film d'eau entre la lame des patins et la glace, permettant aux patineurs de glisser sans peine. A l’époque, on pensait que c’était la forte pression de la lame sur la glace qui la faisait fondre. Il est vrai que le point de fusion, c'est-à-dire la température à laquelle un corps solide commence à fondre et devient liquide, dépend de la pression, mais seulement de façon minime: la pression devrait augmenter d'environ 100 bar (soit environ 100 kg par cm2) pour diminuer la température de fusion d'un degré seulement! Un patineur pesant 70 kg n'exerce cependant qu'une faible pression de 23 bar sur la glace avec ses patins. Cette pression correspond à peu près à celle exercée sur la chaussée par un petit camion complètement chargé. Même si cette pression permet de diminuer le point de fusion de la glace d'un quart de degré, cela ne suffit pas pour produire un film d'eau!
Le frottement produit de la chaleur qui fait fondre la glace
Quelques années plus tard, des études menées par différents chercheurs ont montré que c’est la chaleur produite par le frottement des patins sur la glace qui est à l'origine de ce film d'eau. La chaleur fait fondre temporairement la glace sous les lames, ce qui produit une mince couche d'eau. Pour le patinage, deux sortes de force de frottement agissent: le frottement d'adhérence et le frottement de glissement. Le frottement d'adhérence est la force nécessaire pour mettre en mouvement le patin à l'arrêt. Il résulte du fait que la surface n'est jamais complétement lisse, mais au contraire plus ou moins rugueuse. C'est pourquoi une certaine force doit être exercée pour déplacer deux solides l'un par rapport à l'autre. En plus de la rugosité, les forces d'attraction moléculaires entre les corps solides jouent aussi un rôle dans l'adhérence. Sans adhérence, rien n'irait dans la vie quotidienne! A vélo, tu ne pourrais pas avancer parce que les roues patineraient, et les objets posés, les meubles par exemple, ne resteraient pas à leur place et glisseraient au moindre contact.
Le frottement de glissement est la force qui agit lorsque le patin glisse sur la glace. Le frottement de glissement freine le mouvement relatif des patins par rapport à la glace et transforme l'énergie mécanique en chaleur. En hiver, nous tentons par exemple de réchauffer nos mains gelées en les frottant vivement sur notre pantalon. Le frottement rapide des mains froides sur le pantalon produit beaucoup de chaleur qui permet de les réchauffer. Dans le patinage ou le ski, le frottement dégage aussi de la chaleur, qui entraîne une brève fonte de la glace ou de la neige. Un patineur de 70 kg peut faire fondre jusqu'à 12 mm3 de glace grâce au dégagement de chaleur dû au frottement! Le film d'eau diminue fortement le frottement des lames sur la glace et permet ainsi de glisser sans peine. Cette mince couche d'eau seule permet aux patineurs d'atteindre des vitesses de pointe pouvant aller jusqu'à 60 km/h!
Pour en savoir plus sur ce qu'il se produit entre ton ski et la neige, va voir cette vidéo de la RTS.