la glisse du ski

Nous avons ainsi mis en évidence les différents mouvements possibles pour un skieur. Cependant, nous n’avons pas encore vu pourquoi le ski glissait sur la neige. En effet, une personne sur des skis ne va pas glisser sur toutes les surfaces ; par exemple, au départ de certains télésièges, on a installé des tapis roulants en caoutchouc pour éviter que les skieurs ne tombent. Quelle est donc la différence entre cette matière, le caoutchouc, et la neige ? Pour comprendre comment un ski glisse sur la neige, il convient d’étudier l’interface entre les skis et la neige, au niveau de la semelle, et d’étudier précisément la force de frottement.

De la manière la plus générale possible, on peut définir le frottement comme la force qu’il faut exercer pour déplacer deux corps appliqués l’un contre l’autre. En effet, aucun solide n’est parfaitement lisse ; au niveau microscopique, on peut ainsi observer sur chaque solide la présence de micro aspérités, et lorsque deux solides glissent au contact l’un de l’autre, une partie de l’énergie doit être dépensée pour surmonter ces aspérités, en tant que force de frottement. On en déduit donc aisément que ce frottement dépend de la nature des corps en contact, de leurs propriétés physiques et mécaniques, et de la présence éventuelle d’une substance lubrifiante. Il existe trois types de frottements : le roulement (bille sur un plan incliné), le pivotement (pour une toupie) et le glissement dans le cas du ski sur une pente enneigée. Mais quel est donc le rôle de ces frottements de glissement, outre de s’opposer au mouvement, pour faire glisser un skieur ?

Tout d’abord, détaillons l’origine des différents types de frottements qui interviennent en ski alpin :

• Frottements dus à la compaction: si la neige sur laquelle la glisse s’effectue est peu compacte, une partie de l’énergie dépensée par le skieur servira à tasser la neige. De plus, ces frottements augmentent avec le poids, puisque plus le skieur pèsera lourd, plus il s’enfoncera dans la neige et plus la quantité de neige à compacter devant la pointe des skis sera importante pour une même distance parcourue. Ainsi, sur une piste peu damée, ces forces gêneront beaucoup plus un adulte qu’un enfant.
• Frottements secs:les skis étant beaucoup plus durs que les grains de neige ou de glace sur lesquels le skieur glisse, une certaine énergie sera dépensée pour briser ces grains. Ce type de frottement augmente également avec le poids ; en effet, un skieur lourd établira avec la neige un meilleur contact et de ce fait ses skis écraseront un nombre plus important de grains.

Il existe d’autres types de frottements, mais leur rôle est négligeable devant celui des frottements dus à la compaction et des frottements secs. L’étude de ces frottements correspond à une science assez récente, la tribologie.

Les différents frottements effectuent un travail sur la neige. Ce travail produit de l’énergie qui est transmise à la neige sous forme de chaleur. Il y a en effet échange d’énergie par travail entre le skieur et la neige. Or, même sur une piste damée, la semelle ne touche effectivement la neige, à l’échelle du grain, que sur quelques pour cent de sa surface. Comme toute l’énergie dissipée par le frottement l’est en ces points, il y apparaît toujours un film d’eau liquide, même si la neige est très froide. Que le ski soit bon ou mauvais conducteur de la chaleur est sans importance, car la chaleur dissipée est surabondante. Ainsi, la force de frottement produit une énergie de changement d’état qui, dans le cas de la glisse du ski, transforme la neige en eau liquide. Cette fonte de la neige produit un film d’eau qui agit comme un lubrifiant améliorant la glisse, film d’eau dont l’épaisseur est estimée autour de 7?m, mais qui varie en fonction de la température. Les frottements entre la neige et les skis sont donc nécessaires à la glisse du ski, et c’est ainsi que la semelle doit être suffisamment rugueuse pour provoquer ces frottements.

A la surface des semelles, on distingue en effet des micro-rainures profondes de 5 à 10?m qui ont un double rôle : d’une part, permettre l’échauffement à l’origine de la pellicule d’eau à l’interface entre le ski et la neige et d’autre part, d’éviter l’«effet ventouse» qu’engendrerait une semelle toute lisse. En effet, pour avoir une bonne glisse, il ne faut pas non plus que le film d’eau soit trop important. Dans ce cas, le film d’eau agit comme un frein. En effet, l’eau est retenue par capillarité par les grains de glace à la surface de la neige et elle a également tendance à adhérer au revêtement des skis. Agissant comme un élastique attaché par l’une de ses extrémités à la neige et par l’autre aux skis, l’eau s’oppose ainsi au déplacement, c’est la raison pour laquelle on perd de la vitesse sur une neige fortement imbibée d’eau. C’est le même phénomène lorsqu’on pose une goutte d’eau entre deux vitres : les deux vitres se collent. C’est pour cela qu’à la surface des semelles se trouvent également des macro-rainures chargées d’évacuer l’eau en excès. Idéalement, il faudrait un film d’eau fractionné en fines gouttelettes, celles ci se comporterait à l’interface ski/neige comme les billes d’un roulement. C’est la rugosité des semelles qui assure cette fonction importante de transformer le film d’eau en fines gouttelettes : les aspérités du relief fragmentent la couche d’eau en micro particules. Le film d’eau doit donc être fractionné et ainsi conduire à un frottement intermédiaire entre le frottement visqueux et le frottement sec.