Nous sommes tout à fait capables d’envoyer des rovers sur Mars, de récupérer des lanceurs après leur retour depuis l’espace, mais nous nous écharpons encore sur une question, en apparence, toute bête. Pourquoi sommes-nous capables de glisser élégamment sur la glace d’une patinoire, ou d’y chuter violemment lorsqu’un trottoir est couvert de verglas ?
Les physiciens et chimistes, depuis deux siècles, se sont au moins accordés sur une hypothèse valable : la surface de la glace est recouverte d’une couche liquide extrêmement fine, qui lubrifie les objets à son contact. En revanche, ce que l’on ne comprend pas vraiment, c’est les raisons expliquant l’existence de cette couche, et si celle-ci est réellement suffisante à expliquer le phénomène. Trois théories différentes se sont affrontées, mais une quatrième, beaucoup plus récente, vient d’éclore… sans que le débat ne soit refermé pour autant.
La pression et la friction : des théories poids plume
La première explication, née au XIXème siècle, postulait que la pression seule pouvait liquéfier la surface de la glace. Selon James Thomson (ingénieur et physicien britannique), le simple fait de poser le pied sur la glace abaisserait son point de fusion, créant ainsi cette fameuse pellicule d’eau.
Bien plus tard, dans les années 1930, des chercheurs de l’Université Cambridge ont sorti la calculatrice : pour que cette hypothèse se vérifie, un skieur lambda devrait peser plusieurs milliers de kilos. À moins d’être un poids lourd de 40 tonnes chaussé de skis de 30 mètres, les lois de la physique ne peuvent donc pas suivre.
L’hypothèse de la friction fut formulée en 1939, par deux chercheurs de l’université de Cambridge, Frank P. Bowden et T.P. Hughes. Ils ont suggéré que ce n’était pas le poids, mais le frottement de l’objet qui générait la chaleur nécessaire pour liquéfier la surface.
Cette explication qui trône encore dans nos manuels scolaires est aujourd’hui contestée. Le physicien Daniel Bonn, de l’Université d’Amsterdam, y voit une erreur : la glace est glissante au premier contact, avant même que l’énergie du mouvement ne soit convertie en chaleur.
Pour prouver ses dires, son équipe a conçu, en 2021, une patinoire microscopique. Une petite sonde métallique (simulant une lame de patin) y était pressée, pendant qu’on la fait tourner à différentes vitesses. Les chercheurs ont alors calculé le coefficient de friction en comparant deux forces : celle nécessaire pour faire avancer la sonde et celle que la sonde exerce verticalement sur la glace.
Peu importe si la sonde tournait lentement ou à toute allure, elle glissait tout aussi facilement. Si la théorie de la friction était la bonne, une vitesse élevée devrait générer plus de chaleur, liquéfier davantage de glace et donc rendre la surface de plus en plus glissante. Mais les mesures effectuées lors de cette expérience ont montré que la résistance ne change pas. L’effet lubrifiant ne dépend donc pas de l’énergie du mouvement, puisqu’il est déjà présent avant toute dissipation d’énergie.
Petit rappel : c’était il y a quatre ans, et nous sommes depuis restés sans consensus scientifique et sans réponse pleinement satisfaisante sur le plan physique !
L’hypothèse du pré-dégel
En 1842, le célèbre physicien Michael Faraday remarqua un phénomène étrange : deux glaçons mis en contact se soudent immédiatement. Une expérience que vous pouvez reproduire à la maison, si vous collez votre doigt chaud sur un glaçon (pas votre langue attention, c’est une idée stupide). Il compris alors que la surface de la glace était en réalité une pellicule déjà liquéfiée.
Il a fallu attendre un siècle pour que deux physiciens (Charles Gurney et Woldemar Weyl) théorisent ce qu’avait pressenti Faraday : ils ont appelé cette manifestation physique « surface premelting ». Imaginez la glace comme un cristal parfait où chaque molécule d’eau est solidement emprisonnée dans un maillage (un réseau périodique). Mais à la surface, les molécules n’ont pas de voisines au-dessus d’elles pour les maintenir en place. Elles sont donc plus libres et plus agitées, formant une couche désordonnée qui se comporte comme un liquide, même bien en dessous de 0°C.
En 2011, Luis MacDowell (Université Complutense de Madrid) a utilisé des simulations atomiques pour observer ces molécules une à une. Selon lui, les trois effets (pression, friction, pré-dégel) opèrent en parallèle, suivant les conditions thermiques et la dynamique du mouvement sur la surface. Un partout, balle au centre ? Eh bien non, pas tout à fait.
La glace : un faux diamant ?
Récemment, une équipe de chercheurs de l’Université de la Sarre en Allemagne a jeté un gros pavé dans la mare (gelée). Pour eux, aucune des trois théories précédentes ne tient la route dans les conditions extrêmes. Pourquoi ? Parce que la glace reste glissante même par des températures si basses (en dessous de -100°C) que le « pré-dégel » n’existe plus et que la friction ne suffit plus à chauffer la matière.
Ils se sont inspiré d’un tout autre domaine pour établir leur théorie : la joaillerie, et notamment le polissage des diamants. Les joailliers, lorsqu’ils travaillent sur cette pierre précieuse, savent que certaines faces du diamant sont plus « tendres » que d’autres. En 2011, une étude publiée dans la revue Nature Materials a démontré que le frottement entre deux diamants arrache les atomes de leur structure ordonnée pour créer une couche « amorphe ». C’est un état de la matière désordonné, entre le solide et le liquide, qui agit comme un lubrifiant.
Dans une étude publiée cette année dans la revue Physical Review Letters, une autre équipe de chercheurs, menée par Achraf Atila (spécialiste en simulation numérique des matériaux) a a observé le même phénomène : l’amorphisation. Le mouvement mécanique du glissement brise le réseau cristallin de la glace, créant une sorte de « pâte » de molécules désorganisées. Ce n’est donc pas de l’eau liquide à proprement parler qui se forme à la surface de la glace, mais un état non cristallin aux propriétés lubrifiantes.
Alors, pourquoi le débat n’est-il toujours pas clos après 200 ans ? Parce que les scientifiques ne s’entendent pas sur la sémantique. Là où Achraf Atila préférera le terme de « destruction mécanique » du cristal, d’autres comme Daniel Bonn privilégieront celui de « mobilité moléculaire ». Pour lui, la surface de la glace ressemble simplement à « un sol couvert de petites billes » : il est compliqué (ou impossible) d’y tenir debout, non pas parce qu’il serait mouillé, mais parce que toutes ces petites billes roulent sous nos pieds. Cette problématique ne tient ainsi plus réellement du domaine de la physique, mais de la linguistique. Comme le souligne le chercheur Sergey Sukhomlinov un collègue d’Achraf Atila, le manque d’un vocabulaire commun entre les laboratoires est aujourd’hui le seul frein au consensus scientifique. En attendant que tous ces experts accordent leurs violons, nous continuerons à nous vautrer sur la glace ou à glisser à sa surface : quelle que soit l’étiquette qu’on lui collera un jour, le résultat sera identique.
- Le débat sur la glissance de la glace persiste depuis 200 ans, malgré plusieurs théories tentant d’expliquer le phénomène.
- Récemment, des chercheurs ont proposé que la glace glissante provienne d’une couche désordonnée à sa surface, plutôt que d’eau liquide ou de chaleur générée par friction.
- Le manque de consensus scientifique est accentué par des divergences linguistiques entre les experts, rendant le sujet encore plus complexe.
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