mercredi 25 mars 2009

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.

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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 explique 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 14 atmosphères1400 Pascal. Sur le diagramme l'état de la neige passe du point bleu (0°, pression atmosphérique) au point rouge (toujours 0° mais 14 atmosphères 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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