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Matériaux, formes et choix de l'équipement

MATERIELS

La structure du ski

Dans cette partie, nous présentons les éléments clés de la structure du ski dont la conception la plus favorable pour l’atteinte de vitesse élevée. Le ski est une lame hétérogène, constituée d’un assemblage d’une dizaine de couches de matériaux différents. Nous allons présenter certains de ces matériaux dont leur rôle et position sur le ski. Les matériaux composites ne seront pas présentés en raison de leur grande technicité.

La semelle est très résistante aux chocs et à l’usure. Elle résiste à la pression effectuée par le poids du skieur.

Quels paramètres influent sur le choix des skis?

Afin d’augmenter sans cesse la performance, on adapte le ski à l’usage et au milieu dans lequel on veut l’utiliser. Dans un premier temps, nous  nous demandons comment un ski glisse sur la neige. Nous ne skions pas réellement sur la neige mais sur une pellicule d’eau. Celle-ci est issue de la fonte de la neige sous l’effet de la chaleur liée au frottement du ski. Ce film d’eau de faible épaisseur joue un rôle lubrifiant. Si la pellicule d’eau devient trop épaisse, elle agit comme un frein en créant un effet «ventouse». Pour éviter cela, des micro-rainures existent à la surface des semelles des skis, chargées d’évacuer l’eau en excès. Par conséquent, le ski et sa semelle doivent  être choisis en fonction du type de neige.

Ainsi, il existe plusieurs types de neige. Les plus connues des skieurs sont les neiges fondantes, mouillées, poudreuses, sèches et trafollées.

Une neige fondante contient de l’eau liquide entre ses grains formant un léger effet «ventouse». Cet effet est encore plus important si l’on skie sur de la neige mouillée puisque la quantité d’eau entre les grains est nettement supérieure.

La neige poudreuse est, quant à elle, très aimée des skieurs. Sa fraîcheur lui permet de ne pas avoir d’eau entre ses grains, la rendant sèche et légère. Une neige sèche est donc assez semblable à de la poudreuse. Enfin, une neige trafollée présente déjà des sillons faits par des skieurs. A chaque type de neige correspond un type de ski permettant une glisse optimale.

Pour une neige fondante, mouillée ou poudreuse, un skieur prend des skis souples, longs et larges, afin de minimiser la pression sur la neige et par conséquent, de réduire les frottements.

Pour une neige compacte, damée ou sèche, le skieur s’oriente davantage sur des skis rigides.

Le fartage

Le fart est un revêtement appliqué sous les skis. Il est directement en contact avec la neige et va permettre d’améliorer soit le glissement, soit l’adhérence sur la neige et protéger la semelle.

En référence au bilan des forces abordé dans la rubrique «forces et position», lorsqu’un corps glisse sur un plan (la piste), il se crée un frottement (force de frottement). Dans le but de gagner en vitesse le skieur à tout intérêt à réduire le ralentissement qu’elle crée. En effet, la force de frottement s’oppose à la vitesse du skieur.

Attention, cependant, le poids des skis ne doit pas être trop important. En effet, s’ils sont trop épais, les skis vont être collés au sol.  Il s’agit de l’effet ventouse.  C’est une situation qui arrive souvent au printemps quand la neige est humide. En effet,  la quantité d’eau sous le ski est trop conséquente.  L’idée de réduire l’épaisseur n’est pas une solution. Les cristaux de neige peuvent alors coller le ski au sol. Cela arrive souvent en début de descente sur une neige très froide. On parle de givrage. La solution est de choisir une épaisseur idéale.  Le choix des skis est donc également très important en fonction du type de neige (voir la partie glisse).

Il existe deux types de fartage: le fartage à froid et le fartage à chaud. Le fartage à froid est efficace mais possède l’inconvénient de ne pas pénétrer la semelle du ski. Il reste en surface. Ainsi, la neige, qui est un produit abrasif, arrache le fart au bout d’une ou deux descentes. Le fartage à chaud est réalisé à l'aide des fers à farter (en photo ci dessus). Par conséquent, le fart imprègne la semelle et reste efficace pendant deux à trois jours.

photo de neige trafollée

Néanmoins, une question persiste : quel type de ski choisir pour être le plus rapide Un skieur chausse des skis de grande longueur s’il priorise la vitesse dans sa performance. En effet, de longs skis apportent de la stabilité, ce qui permet de conserver une trajectoire sans ressentir de fortes vibrations ou flottements. En revanche, ce skieur perd en maniabilité.

Hormis la stabilité, les skis de grande longueur permettent d’augmenter la surface de portance du ski sur la neige. La masse du skieur est répartie de façon homogène et diffuse, ce qui réduit les frottements et augmente la vitesse. Cette portance est définie par plusieurs caractéristiques : la cambrure, la surface des semelles (longueur des skis), le design de la spatule et les lignes de côtes.

La cambrure donne une allure «arrondie» au ski ce qui évite qu’il s’affaisse sous le poids du skieur. Elle s’efface quand le sportif est debout sur ses skis, rendant les skis plats. Ils pourront donc épouser les aspérités de la neige avec davantage de facilité.

De plus, il faut également tenir compte du design de l’avant du ski, appelé spatule, La spatule a une forme courbe, relevée de quelques centimètres. Elle permet de ne pas s’accrocher aux irrégularités du terrain et d’avoir ainsi la sensation de «flotter».

Pour finir, les lignes de côtes déterminent la largeur du ski en trois points essentiels: la spatule, le patin et le talon. La spatule et le talon sont larges tandis que le patin est fin. Cette structure permet aux skis de se déformer pour épouser la forme du virage et ainsi de gagner en vitesse.

étagère à fart, avec les différents types de fart selon les températures extérieures

fer à farter

table à farter

Source: Google image

Source: Google image

Schéma comparant la pellicule d'eau entre une semelle  non fartée et une semelle hydrophobe

Source: Google image

Source: Google image

Sources: Photos prisent par le groupe

Dans un premier temps, le noyau est la pièce principale du ski: c’est autour de lui que les autres composants sont assemblés. Il permet de filtrer les vibrations liées aux frottements et d’absorber les chocs. Il doit pouvoir se fléchir afin de donner de la maniabilité au ski, mais doit aussi être très résistant afin de supporter la répartition du poids du skieur sur toute sa surface. Ainsi, l’un des matériaux les plus utilisés pour confectionner ce noyau est le bois. En effet, ce matériau naturel garde les mêmes caractéristiques physiques (flexibilité, courbure) malgré les variations de température. Historiquement, on utilisait le bois de hêtre pour le fabriquer, mais ce matériau augmentait la masse globale du ski, et donc entrainait une perte de vitesse. Désormais, le bois d’okoumé est privilégié chez les skieurs de compétition. En effet, il est moins dense et par conséquent plus léger, tout en conservant la même résistance. Cependant, le noyau peut aussi être fait en matières plastiques expansées (matière plastique ayant subi une augmentation de son volume). Par exemple, on peut trouver de la mousse de polyuréthane en tant que noyau dans de nombreux skis. Ce matériau est léger, résistant à l’humidité et a une faible viscosité ; ce qui facilite son moulage. Néanmoins, ses caractéristiques changent avec les changements de température, contrairement au bois. 

Autour de ce noyau, on trouve des lames additionnelles ayant toutes la même utilité: protéger le noyau des chocs trop importants. Les premières lames sont appelées «renforts» et se situent au-dessus et en dessous du noyau. Ils permettent d’améliorer la rigidité du ski. Ils doivent être résistants, car ils fortifient le noyau. Les renforts sont fabriqués en zicral, qui est un alliage de zinc et d’aluminium. Les secondes lames sont appelées «chants» ou «zones de transmission» et sont placées de chaque côté du noyau, sur les parties latérales du ski. Elles sont positionnées de façon verticale et résistent aux chocs. Les chants sont fabriqués avec un matériau composite appelé ABS (acrylonitrile butadiène styrène) qui présente une bonne tenue aux chocs.

Sous les renforts, se trouvent de fines lames d’acier inoxydable appelées «carres». Elles sont de chaque côté du ski, dans la longueur. Ce matériau est utilisé car il résiste à l’usure due aux frottements de la neige. Cet acier inoxydable va créer un «pont thermique», c’est-à-dire que l’acier va adopter la température extérieure et va par la suite la diffuser à l’ensemble du ski. Avec les frottements et l’abrasion de la neige, une chaleur va se créer. Les carres deviennent alors porteuses de chaleur. En conséquence, cette chaleur pourra diffusée dans le  ski et contribuer à créer une fine pellicule d’eau suite à une liquéfaction de la neige. Ceci favorise la glisse du ski mais un réchauffement trop important peut produire une pellicule d’eau épaisse ralentissant un skieur. Les carres permettent au ski de glisser et non de déraper sans contrôle, puisqu’elles accrochent comme des lames à la surface sur laquelle on skie. Pour améliorer le fonctionnement des carres, plusieurs matériaux alternatifs ont été testés dont les céramiques. Ce matériau conduit moins la chaleur mais est moins  résistant que l’acier inoxydable. A ce jour, il ne permet pas une accroche suffisante.

La semelle termine l’assemblage de lames et de carres. Elle est l’élément de contact entre la neige et le ski. Elle est réalisée en chauffant de la poudre de polyéthylène sans la mener jusqu’à fusion. Sous l’effet de la chaleur, les grains de la poudre vont se souder entre eux et former une surface solide. Cette surface hydrophobe va alors être collée sous le ski, puis être poncée et polie jusqu’à obtention d’une surface parfaitement plane et lisse. Une fois que la surface est polie, on fait subir une étape de structuration à la semelle. Cette étape consiste à créer des micro-aspérités à l’aide de ponceuses à contrôle numérique. Ces minuscules aspérités vont permettre d’optimiser la surface pour que la semelle puisse glisser dans toutes les directions. Ces micro-aspérités ont pour principale fonction d’évacuer le film d’eau créé lors du déplacement du skieur. En fonction du type de neige, ces aspérités peuvent être orientées différemment afin d'augmenter la glisse du ski. La recherche actuelle travaille sur des micro-aspérités pouvant rendre les skis plus polyvalents et pouvant s’adapter aux différents types de neige.

Schéma montrant les différents types de micro-rainures, en fonction des types de neige

Schéma montrant la structure du ski

L’intensité de la force de frottement dépend des aspérités des deux surfaces en contact : le ski et la neige. Le coefficient de frottement est une grandeur, notée μ, qui considère les matériaux, et leur incidence sur la vitesse. Le tableau ci-dessous donne quelques exemples de valeurs. Ainsi, les matériaux en contact qui ont le plus petit coefficient de ralentissement sont l’acier et la glace. On peut en déduire que pour skier rapidement sur de la glace, il faudrait utiliser une semelle en acier. Cependant, le coefficient du ski et de la neige est de μ=0,02. Ce coefficient est relativement faible, et similaire au précédent. Ceci montre que les technologies de fabrication ont su produire un ski peu enclin au frottement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lorsque le skieur va descendre la piste, la force de frottement va se dissiper et produire de l’énergie cinétique et de la chaleur. La conséquence de cette production de chaleur est la fonte de la neige à l’interface.  Cette pellicule d’eau entre le ski et la neige est importante pour la glisse mais requière une bonne gestion. Le fart, posé entre le ski et la neige, permet d’optimiser les conditions de surface et de formation de cette  pellicule d’eau. Pour limiter l’écrasement de l’eau sous le ski, (voir figure ci-dessous), le fart va  en partie, être composé d’une substance particulière hydrophobe,  les fluocarbures. Cependant, bien que très utile, ceux-ci sont nocifs pour la santé et relativement cher. C’est pour cette raison qu’on les associe à de la paraffine (Substance blanche solidetirée du pétroleque l'on utilise dans la fabrication des bougies) ainsi qu’à d’autres hydrocarbures solides  (molécules composé essentiellement de carbone et d’hydrogène).

Le document ci-dessous montre qu’un ski avec une semelle farté va avoir une interaction solide-liquide beaucoup plus forte qu’une semelle non fartée. L’angle θ caractérise cette interactions; plus celui-ci est grand plus les interactions sont importantes. Ainsi la semelle fartée est beaucoup moins ralentie.

 

Le matériel du skieur alpin de descente autres que les skis:

 

Les combinaisons de ski alpin:

Les combinaisons de ski sont fait à 80% de PES (polyester).

Il y a des règlements très stricts sur les combinaisons comme de nombreux articles du règlement de la FIS (fédération internationale de ski) à l'égard de l'homologation du matériel: les combinaisons moulantes ne peuvent pas être imperméable à l’air.
Ainsi, un gros travail technologique sur leur matière et sur leur construction est faite.

Une personne qui porte des vêtements de haute technologie telle que la combinaison moulante aura un net avantage par rapport à une personne qui porte des vêtements larges et usés. Nous avons pu voir cela lors d'une de nos expériences (voir partie expériences).

Le casque:

Le casque est de forme aérodynamique pour ne pas perdre de vitesse tout en ayant une sécurité de la tête suffisante en cas de chute. Il a donc une forme adéquate à la vitesse et à la pénétration de l’air. La forme qui pénètre le mieux dans l’air est la forme de la goutte d’eau. Cependant, il serait gênant de porter un casque de telle forme en ski alpin et il y aurait trop peu de différences lors du résultat, surtout lors des épreuves techniques (slalom spécial et slalom géant). Mais en ski de vitesse, la différence existe belle et bien.

Les bâtons:

Ils servent à l'équilibre du skieur et ont une forme

aérodynamique, qui épouse la forme du skieur.

Source: Google image

Source: Google image

Schéma montrant les composantes de la portance

Pour conclure, nous pouvons dire que pour améliorer la performance, le choix du ski et le type de neige sont les deux facteurs principaux. Afin d’augmenter la vitesse, il faut que la neige soit compacte et sans aspérité et que le ski ait une surface de portance importante.

photo de bâtons aérodynamiques de descente

Source: Google image

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Quelques valeurs de μ

Tableau des valeurs de μ en fonction des matériaux en contact (μ = coefficient de ralentissement)

Source: Google image

photo d'un casque de ski alpin

Source: Google image

photo d'une combinaison moulante de ski alpin

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FORCES ET POSITION

Ces forces ne sont pas les seuls éléments qui entrent en jeu. En effet, le mouvement du skieur est essentiel. Un skieur qui ne crée aucun mouvement sur un sol plat sera immobile car les forces se compensent. Une inclinaison de la pente est primordiale dans le ski de vitesse.

Le skieur va chercher à atteindre la vitesse la plus élevée, en utilisant la pente mais également en faisant varier sa position sur les skis. C’est le vecteur accélération qui entre en jeu le premier. Défini en 1700 par Pierre Varignon, il représente la modification de la vitesse d’un mouvement en fonction du temps. Cependant quel est le mouvement de notre skieur lors de sa descente? Il s’agit d’un mouvement rectiligne accéléré. Celui-ci n’est pas uniforme. Cependant, au bout d’un certain temps de descente, la vitesse du skieur ne va plus augmenter. On obtiendra alors un mouvement rectiligne uniforme. Il est important de savoir que c’est la vitesse qui évolue et non l’accélération, qui elle est constante si la pente reste invariable. L’accélération est la dérivée de la vitesse c'est-à-dire qu'elle permet de mesurer les variations.

 

Le skieur pour atteindre des vitesses importantes doit tenter de changer l’impact des forces qui ralentissent son mouvement et impactent son accélération. Il va devoir jouer sur la force de frottement du ski sur la neige. Celle-ci traduit une décélération qui  peut être compensée par le fartage, les carres et la forme des skis. 

Le skieur va également tenter d’influer sur la force de l’air. Le vêtement du skieur représente alors une contrainte. Il a un coefficient de pénétration dans l’air qui est variable en fonction du matériau et de sa forme. Plus le coefficient de pénétration sera élevé moins le skieur sera ralenti (voir partie expérience). De plus, le skieur se met dans une position particulière. Il cherche la position la plus aérodynamique possible. Il s’agit souvent de la position de recherche de vitesse dite de « l’œuf ». Cette posture a été créée et utilisée pour la première fois par Jean Vuarnet lors de sa victoire aux Jeux Olympiques de 1960 à Squaw Valley aux Etats-Unis. Elle consiste à : plier son buste, fléchir ses jambes, plier ses coudes, et réunir ses poings. Depuis, tous les skieurs de haut niveau utilisent cette position pour atteindre la vitesse la plus élevée possible.

 

Jean Vuarnet lors de sa descente olympique en 1960 à Squaw Valley aux États Unis

Pour atteindre une vitesse élevée, le skieur va faire en sorte de diminuer son coefficient de freinage aérodynamique.

Ce coefficient est appelé SCx/M et on le calcule de la façon suivante : (d2/m)*1000 . d correspond à la surface du corps du skieur (donc sa hauteur multipliée par sa largeur) tandis que m correspond à sa masse en kg. Nous avons analysé des essais faits en soufflerie pour obtenir les résultats suivants. Ainsi, ces valeurs ne pourront pas être vérifiées sur la neige, mais nous donnent une idée de l'importance de la position.

En position de recherche de vitesse, SCx/M est égal à 2, en position quasi-debout, il est de 2 à 3 fois plus grand.

Ces valeurs sont des valeurs moyennes, ainsi SCx/M peut varier de 20 à 30% en fonction du profil du skieur.

Un bras écarté au lieu d'être dans l'axe du corps augmente SCx/M de 0,25. Cela ne parait peut être pas beaucoup mais dans une compétition le moindre centième de seconde est important.

D’après une étude réalisée par Caroline Barelle, une « posture semi relevée au lieu d’une posture regroupée peut générer un déficit de vitesse de 5 % à l’issue de 100 mètres pour une vitesse de 90 km/h. ». La posture regroupée ne permet pas de gagner un temps considérable (quelques millième de secondes) mais ceci est suffisant au niveau d’une compétition pour faire « la » différence.

Position de recherche de vitesse vue de profil

Il existe une seconde position de recherche de vitesse, cette fois-ci le skieur s'assoie sur ses talons. Cette position est aussi aérodynamique que la position de l'œuf.

Cependant, cette position est plus dure à tenir d'un point de vue musculaire. De plus, elle est moins maniable (il est plus difficile de tourner et d'effectuer des virages serrés sans perdre son équilibre).

Nous pouvons donc en conclure que la position du skieur est très importante. En effet, si celui ci ne l’exécute pas comme il faut, il perdra du temps précieux sur sa descente.

Source: Google image

Source: photo prise par le groupe

Source: photo prise par le groupe

Lors de sa descente en ski, il faut savoir que le skieur est soumis à de multiples forces.

Bilan des forces extérieures appliquées au skieur :

Système : skieur (avec son équipement)

Référentiel : terrestre considéré comme galiléen

Bilan des forces extérieures exercées sur le skieur :

  • P Poids du skieur
     

  • f frottement entre la neige et les skis
     

  • Rn force du sol
     

  • Fa force de l’air ou trainée

Position de recherche de vitesse, où le skieur est sur ses talons

Schéma des forces misent en jeu dans le ski, d'après le bilan des forces ci-contre

Source:

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Matériel et neige

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