Introduction

Le ski n'a pas cessé d'évoluer au cours de ces dernières années. On peut le remarquer grâce à son esthétique qui présentait autrefois des arêtes parallèles, alors qu'à ce jour, elles sont devenues concaves. Cette propriété nous permet de les différencier d'un simple coup d'œil. Ainsi, le ski moderne porte le nom de ski parabolique ou de ski carving. Cette nouvelle forme est la conséquence de l'apparition du snowboard qui a su faire évoluer la mode et inciter les constructeurs de skis à réagir. Des tentatives de modification de la forme avaient déjà été entreprises auparavant mais n'avaient jamais apporté le résultat escompté.

Ces nouveaux skis taille de guêpe ont remplacé les skis alpins traditionnels. Désormais, les fabricants ne jurent plus que par eux. Qu'ont-ils de plus que les skis classiques ? Du fait de leur physionomie, les skis paraboliques sont beaucoup plus faciles à manipuler. Spatules surdimensionnées et taille de guêpe, c'est la formule gagnante du virage facile et esthétique. À un plus haut niveau, les skis de carving permettent un enchaînement plus rapide de virages courts (godille). Ils sont aussi parfaits pour effectuer de grandes courbes, au cours desquelles le skieur peut se coucher dans la pente et toucher la neige avec son gant. Des sensations agréables, qui se rapprochent de celles procurées par le snowboard. Et puis, surtout, on peut enfin s’épanouir malgré son niveau deuxième étoile.

Le ski est loin d'être une simple planche qui se laisse glisser sur la neige mais, au contraire, sa structure est étudiée dans les moindres détails pour offrir à son utilisateur les sensations qu’il désire. Les recherches sont axées sur le marché qui offrira les meilleures recettes soit, en d'autres mots, sur le marché grand public. Il ne faut pas oublier que le ski est un produit commercial qui est devenu très exigeant de par la concurrence. Pour plaire, le ski doit être attirant par son design, léger, performant et tout ceci à un prix abordable. Aujourd'hui, l'achat d'un ski est devenu beaucoup plus complexe qu'il y a quelques années. Jusqu'aux alentours de 1996, le client devait uniquement indiquer au vendeur s'il désirait un ski de slalom ou un ski de géant. Le vendeur ajoutait 10-20 cm à la taille de l'acheteur et lui fournissait le ski adéquat. Tandis qu'aujourd’hui, deux personnes skiant d'une manière similaire, préféreront des engins différents.

Composition et structure :: sommaire

1 - Composition

Depuis les skis en bois de nos ancêtres, les skis ont su tirer profit des nouveaux matériaux qui améliorent grandement leurs performances (par exemple: fibres de verre, fibres de carbone, fibres aramides... ). Une coupe de ski nous donnerait un schéma comme ci-dessous:

Les matériaux de fabrication
Les contraintes imposées aux skis sont importantes et variées. C'est pour cela que de nos jours les skis sont constitués d'une dizaine de matériaux rassemblant des propriétés mécaniques différentes.

Les matériaux de renfort
Ils contribuent à améliorer la rigidité, la dureté et les caractéristiques mécaniques du ski. Ce sont des matériaux composites fibreux car leur module d'élasticité est élevé et ils ont une grande résistance à la rupture. Le tissage des fibres est bidirectionnel afin de répondre à la fois aux contraintes de flexion et de torsion. On utilise par exemple des fibres de verre qui sont constituées de produits minéraux : Silice (SiO2) 53-54%, Alumine (Al2O3) 14-15%, Chaux (CaO) 20-24%, Kaolin 6-9%, Magnésie Ces Fibres sont utilisées pour leur bon rapport performances mécaniques/prix (résistance en traction et en compression). Afin de maximiser les performances et de réduire le poids, les fibres de verre sont souvent combinées avec des fibres de carbone ou des fibres aramides (kevlar).

Les carres
Les carres permettent de tenir sur la neige lors des virages. Elles sont constituées d'acier contenant environ 0.6% de carbone. Après le traitement thermique adéquat, elles deviennent très dures ce qui permet d'obtenir un affûtage durable. Cet acier est traité (sablé, dégraissé, traité anticorrosion). De plus, pour diminuer les frottements avec la neige, la surface de contact avec celle-ci est réduite au minimum.

Le noyau
Les premiers skis modernes possédaient un noyau en hêtre, car ce bois a une structure très fibreuse qui équilibre les efforts de compression et de cisaillement. Mais maintenant, les noyaux de certains skis sont constitués de mousse de polyuréthane utilisée pour sa faible viscosité qui facilite le moulage du noyau. On utilise également des noyaux constitués de cellules hexagonales en polyamide-imide, surnommée NIDA abréviation de nids d'abeilles. Le NIDA à des propriétés mécaniques supérieures à celle des mousses de polyuréthane et est dix fois plus léger.

La semelle
Au contact avec la neige, la semelle assure la glisse du ski. Elle est en polyéthylène haute densité et est produit sous forme de bandes.

La décoration
Les décorations sont appliquées sur un terpolymère d'acrylonitrile, de butadiène et de styrène (ABS). Il présente une grande résistance aux chocs et une bonne aptitude au collage.

2 - Structure

Tous les skis ont à peu près la même coupe, pourtant ils n’ont pas la même structure. En effet il existe plusieurs structures telles que la structure sandwich, la boite de torsion ou encore la structure monocoque.

La structure sandwich est la plus répandue. Son nom ne lui a pas été donné par hasard. En effet, un ski en sandwich est constitué par un empilement de différents composants dans un moule Des matériaux de liaison sont utilisés afin d'assurer la cohésion de la structure. On utilise par exemple une résine thermodurcissable, mélangée à un durcisseur aminé,ce qui donne après cuisson vers 100°C durant 15 minutes sous une pression de 200 bars un matériau rigide qui permet d'assembler par collage tous les éléments introduits dans le moule.

La boîte de torsion est une sorte de sandwich, mais le noyau est enroulé dans un tissu en fibres de verre, qui après avoir été imprégné de résine d'epoxy et moulé, est à son tour enveloppé de matériaux plus résistants. Cette technique permet une plus grande rigidité en torsion qu'un simple sandwich.

La structure monocoque est une fabrication qui est devenue beaucoup plus rare. Elle consiste aussi en un empilement de plusieurs couches mais la différence s'effectue au niveau de leur forme. Au lieu que les couches s'étalent sur toute la largeur du ski, elles forment une sorte de "tunnel" débutant et se terminant à la hauteur des carres. De cette manière, les forces seront directement réparties sur les carres. Cette coque est le noyau du ski ; son intérieur n'est que du remplissage.

Fonctionnement du ski :: sommaire

1 - Bilan des forces

Système : skieur
Référentiel : terrestre, suffisamment galiléen

Or tan est de l’ordre de 0.05 c’est pour cela que pour atteindre la plus grande vitesse possible (vitesse limite) les skieurs recherchent la position la plus aérodynamique possible et non le ski ayant le moins de frottement.

2 - La glisse

On pourrait pourtant croire qu’en réduisant au maximum les forces de frottements il y aurait moins de résistances à de faibles vitesses pratiquées par la plupart des skieurs amateurs. Mais ces frottements sont nécessaires pour glisser, difficile à croire et pourtant…

Même sur une piste déjà damée, le passage du ski améliore le glissement en nivelant mieux la surface (la longueur du ski intervient donc). Même sur une neige ainsi lissée, la semelle ne touche effectivement la neige, à l’échelle du grain de neige, 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.

Lorsque deux surfaces glissent séparées par un film de fluide lubrifiant (ici l’eau), il s’ensuit un frottement proportionnel à leur vitesse relative, et inversement proportionnel à l’épaisseur de ce lubrifiant. Ce frottement, dit visqueux, diffère totalement du frottement à sec (dit solide) qui obéit plus ou moins à la loi de Coulomb (frottement indépendant de la vitesse, et proportionnel à la pression).

Ainsi, sur une neige très humide, un film d’eau ininterrompu se forme entre la semelle du ski et la neige : le frottement croît alors avec la vitesse. Mais en général il n’en est pas ainsi : pour bien skier, il faut de l'eau, mais pas trop! En effet, si les gouttelettes se rejoignent pour former un film continu, l'eau chasse l'air, il y a un effet de ventouse et les deux surfaces (semelle et neige) restent "collées" l'une à l'autre et vous vous arrêtez net.

Pour éviter la pataugeoire, il faut donc évacuer cette eau. C'est pourquoi, contrairement à ce que l'on pourrait croire, les semelles des skis ne sont pas ultra lisses. Elles sont gravées de minuscules sillons de 5 à 10 µm tandis que l’épaisseur du film d’eau entre le ski et la neige, mesurée par Mayr, est de seulement 6 à 7µm. Un film d’eau continu ne peut donc se former, de plus la pression de l’air emprisonné chasse l'eau dans ces rainures (où il n'y a pas contact). L’épaisseur du lubrifiant diminuant le frottement augmente mais n’interdit pas le mouvement.

Il faut donc s’attendre à un comportement intermédiaire entre le frottement visqueux et le frottement solide, et quoi qu’il en soit le frottement est très réduit.

3 - épaisseur de la couche d’eau

Nous avons donc vu qu’une bonne glisse dépend de la répartition de cette pellicule d'eau. Celle-ci doit être suffisamment épaisse pour jouer le rôle de lubrifiant et diminuer le frottement à sec entre ski et neige mais pas trop pour éviter de faire « ventouse.
Mayr a donc mesuré l’épaisseur du film d’eau sous le ski mais n’est-il pas possible de la calculer ?

Quelques notions de physique :
-La quantité d'énergie transférée sous forme de chaleur reçue par un système (ici, la neige) dont la température varie de i à f, est donnée par l'expression: Q1=m.c(f- i), où m est la masse (kg) et c la capacité calorifique massique de la neige (constante) (J.kg^-1.°C^-1).
-Lors de la fusion, la quantité de chaleur reçue par une masse m de neige est égale au produit de la masse et de la chaleur latente de fusion Lf de la neige. On a donc: Q2=m x Lf (Lf est en J.kg^-1)
-Le travail d'une force F, de norme R, dans le déplacement AB est donné par:
(AB est en m, R en N)

Tout d'abord, l'énergie libérée par le frottement du ski fait augmenter la température de la neige jusqu'à f=0°C, température de fusion de la neige. Une fois ce seuil atteint, la température n'augmente plus et la neige commence à fondre. Nous pouvons donc dresser le schéma suivant, représentant les transferts d'énergie (en Joules):

Calcul algébrique

Soit y la hauteur du film d'eau, z la largeur et AB la longueur (en m). Prenons pour valeur AB la longueur du ski; même sur une neige très lissée, la semelle ne touche effectivement la neige, à l'échelle du grain de neige, que sur quelques pour cent de sa surface, notons le P.

Application numérique

m=70kg
g=9.8m.s^-2
a=45°
tan=0.05
µ(eau) =1000kg.^m-3
P=10%
z=86.10^-3m (la largeur n’étant pas la même selon qu’on la mesure à la spatule, au patin ou au talon, il s’agit d’une moyenne)
f (température de fusion de la neige)=0°C=273.15 K
i (température de la couche supérieur de la neige)= -9°C=264.15 K
Lf=335 kj/kg
C=4185 j/kg/K
On a donc:

ce résultat se rapproche de celui de Mayr.
Nous avons montré et expliqué précédemment que l’épaisseur du film d’eau sous le ski est de 7,6µm à -9°C et que la semelle du ski présentait des aspérités de 5 à 10 µm. Ces aspérités ne sont en réalité pas uniquement dues au lissage de la semelle. En effet, le ski glisse sur une couche de fart qui est un matériau qu’on enduit sur la semelle et qui est extrêmement hydrophobe.On utilise du fart car il possède des caractéristiques similaire à celles du téflon.En effet, correctement appliqué le fart maintient ses propriétés hydrophobes et, de ce fait, conserve un coefficient de frottement très bas à toute température et à toute vitesse (de 0,05 à 0,10) et cela à un moindre prix que le téflon.

4 - amélioration de la glisse: choix du fart

Traçons maintenant la représentation graphique de l’épaisseur du film d’eau sous le ski en fonction de la température de surface de la neige d’équation y=f(i)

On remarque alors que l’épaisseur du film d’eau sous le ski est proportionnel a la température de surface de la neige, moins la neige est froide plus l’épaisseur du film d’eau sous le ski est important ce qui favorise l’effet ventouse dû à un film ininterrompu sous la semelle. C’est pour cela qu’il existe différents types de fart et différentes façons de farter un ski selon les conditions de la neige.
Avec de la neige mouillée, lorsque la température de l'air est au-dessus du point de congélation, et que la neige est saturée en eau, on utilise, pour obtenir le même résultat, un fart spécial pour friction sur neige mouillée. Il faut l'appliquer sans le lisser (crayonner la semelle avec un bâton de fart par exemple), de sorte à avoir des rugosités de 20 à 35 µm. Lorsque la température de la neige oscille entre 0°C et -12°C on utilise un fart pour friction dit intermédiaire. On le lisse afin d’obtenir des rugosités de 5 à 10 µm.
On peut donc croire que plus la neige et froide mieux on va glisser, or c’est faux, si la neige est vraiment très froide (-15°C, -20°C), les gouttelettes d'eau se forment difficilement sous les planches. La glisse dépend alors davantage de la déformation des cristaux de neige. Et le skieur a l'impression de se traîner sur du sable. Un fart pour friction sur neige sèche s'avère alors indispensable.

Améliorer les performances :: sommaire

1 - L’innovation des carres creusées

La technologie du ski a toujours évolué depuis son apparition et heureusement car les premiers skis, datant d’il y a plus de 5000 ans, ont été découverts lors de fouilles archéologiques, dans des régions autre fois enneigées une grande partie de l’année. Mais les principales évolutions se sont produites dans le dernier siècle. En effet, il y a seulement 40 ans de ça, on devait lever son bras pour connaître la taille de ski qui nous convenait tandis que de nos jours les skis arrivent au niveau de notre nez.

L’évolution de la taille est due à d’autres évolutions telles que la composition, auparavant uniquement en bois, ainsi que la forme.
Jusque dans les années 90 le skieur dérapait pour tourner et seuls quelques rares skieurs arrivaient à faire des virages coupés, c'est-à-dire sur les carres. C’est lors des jeux olympiques d’Albertville en 92 qu’un skieur de descente utilise sur la piste olympique de Belvarde des skis creusés qui lui permettent d’effectuer des virages coupés plus aisément. Cette innovation, signée Dynastar, est à l’origine des skis paraboliques ; pourtant les leaders commerciaux de l’époque (Rossignol et Salomon) ne croient pas en cette nouvelle technologie. Elles sont pourtant amenées à l’adopter quelques années plus tard pour pouvoir contrer le succès de Dynastar.

Les carres taillées agissent comme les roues d’une voiture. Etant courbes, en s’enfonçant dans la neige, lorsque le skieur va s’incliner pour tourner, elles vont diriger le skieur en suivant l’arc de cercle décrit par la forme du ski (on appelle ça le rayon du ski). Le ski prend alors le skieur en charge et non plus l’inverse comme avec les skis traditionnels.

On voit bien sur cette photo que Hermann Maier (champion du monde), est en appui uniquement sur les carres de ses skis et qu’il ne dérape pas. De plus les caractéristiques des skis sont très variées selon les différentes performances recherchées. Si l’on veut faire du slalom on va choisir un ski ayant un rayon plus faible que si l’on veut faire du géant (14 m pour le slalom contre 21 pour le géant en moyenne de nos jours).

Le skieur peut également choisir son ski en fonction de la largeur de la spatule et du talon. Avec une spatule large et un talon étroit, le ski va bien rentrer dans le virage mais la sortie sera plus délicate. A l’inverse, avec une spatule étroite et un talon large l’abord du virage sera plus difficile mais la sortie facilitée.
La rigidité du ski est également très importante. Un skieur confirmé préférera un ski rigide, qui sera alors moins tolérant mais beaucoup plus stable à plus grande vitesse, tandis qu’un skieur novice adoptera plutôt un ski souple, plus facile à manier à vitesse réduite mais incontrôlable à grande vitesse (que le novice n’atteindra pas, ne sachant pas bien skier).
Cette rigidité varie selon le cape (voir structure du ski) : plus il sera arrondi, plus le ski sera souple. Elle varie également selon le poids du ski à ses extrémités : si les extrémités du ski sont lourdes alors les vibrations seront plus amplifiées que si elles sont légères.

Le ski monocoque a l'avantage, par la forme de ses matériaux, de pouvoir répartir les forces directement sur toute sa longueur et directement sur les carres. Pour rivaliser avec ce système, les chercheurs ont su inventer pour les skis en structure sandwich ou en boîte de torsion, un nouveau système que l'on peut imager par un "X". Le point central de ce "X" se trouve sous la fixation, là où les forces sont les plus importantes. Ces forces seront transmises sur toute la longueur du ski grâce à des bras qui rejoignent les extrémités, tout en longeant les carres.

Les constructeurs emploient également des rigidifieurs. Mais chaque constructeur utilise des technologies différentes.

2 - Les différentes méthodes de fabrication selon les marques

Chaque grande marque a sa propre méthode de fabrication de skis haut de gamme. Pour ce qui est des skis bas de gamme, on remet souvent l’exécution à une unique fabrique qui s'occupera de les produire pour les autres.

Chez Rossignol
Chez Rossignol, nous rencontrons un ski en structure sandwich composé de 8 à 12 couches. Avec son système "Power Plusion", les extrémités du ski sont délicatement posées sur la neige grâce aux bras qui le traversent de bas en haut. Le ski devient alors beaucoup plus stable lors des tournants et gagne en réactivité et en vivacité. La plaque est directement intégrée au ski et, de cette manière, elle diminue les forces d'inertie aux extrémités de la spatule. Le skieur bénéficiera d'une plus grande stabilité. "Activator" est apparu à la suite de la réduction de la taille des skis de slalom car les skieurs devaient supporter un déséquilibre arrière. Ce système est organisé de manière à absorber de l'énergie lors du déclanchement du virage et de la restituer à sa sortie pour propulser le skieur vers l'avant. "Dual Vas" est le nom que Rossignol a donné à ses capteurs de vibrations. Ceux-ci offrent au ski une plus grande précision et un meilleur confort. "V Flex" est une technologie nécessaire au ski freeride. Ce système a une forme de "V". Il est large à l'avant pour augmenter la résistance du ski aux torsions et étroit à l'arrière pour faciliter la fermeture du virage et tolérer une plus grande marge d'erreurs.

Chez Head
Chez Head, nous retrouvons la boîte de torsion. Son noyau de bois est enroulé dans un tissu en fibres de verre imprégné de résine d'epoxy qui est à son tour enveloppé dans d'autres matériaux plus résistants. Head a instauré ce système en "X", appelé "X-Frame". Ce système en titane répartit parfaitement les forces sur toute la longueur du ski. Il est recouvert d'une coque intitulée "Full Métal Jacket" qui consiste à augmenter la rigidité en torsion du ski. Cette marque a également innové au niveau de la forme du ski en lui donnant une géométrie plus arrondie et plus prolongée au sommet du ski. Ceci permet d'avoir une carre de 3-4 cm plus longue, donc une plus grande stabilité et une plus grande portance en haute neige. Head est la première marque à introduire dans son ski une puce électronique. Son principe est de multiplier par sept l'énergie électrique qu'elle reçoit et de la renvoyer aux "intellfibers".
Ce système s'appelle "Intelligence Chip System". Ce processus adapte le comportement du ski en fonction de la demande. Plus le ski sera sollicité, plus les forces seront multipliées.

Chez Atomic
Atomic a une fabrication bien particulière appelée "Technologie Beta". On peut la représenter par 2 ou 3 tuyaux qui longent le ski de bas en haut. Cette forme permet une répartition des forces sur tout le ski. Le noyau est un noyau synthétique à haute densité moléculaire mais il reste cependant léger. Ce noyau est entouré d'un profil "Beta", soit hyper-carbone, titanium ou encore texalium. Le profil hyper-carbone permet une transmission rapide des impulsions au ski et une prise de carre agressive. Il est utilisé de préférence pour les skis slalom et les skis polyvalents. Le profil titanium est quant à lui utilisé pour les skis de géant. Il offre un ski très stable et une prise de carre extrême. Le profil texalium peut être de densité 100 ou 200. La différence se trouve dans l'épaisseur des fibres et du nombre de leurs croisements. Le profil 100 compose le ski de piste standard car le contrôle du ski devient plus aisé, alors que le profil 200 se retrouve dans les skis freeride car il a un haut coefficient de torsion.

Chez Salomon
Salomon présente des skis monocoques. Leur technique de répartition des forces sur le ski s'appelle le "prolink". C'est une sorte de "Y" en plastique collé sur le ski à l'avant et/ou à l'arrière de la fixation. Mais leurs skis ont une faible résistance dans la durée, tout en restant excellents durant les deux premières années. Ce phénomène s'explique par le fait que la coque fait office de noyau, donc il sera plus sollicité qu’un noyau standard.

Conclusion

Les skis sont de nos jours bien plus que de simples planches de bois que glissent sur la neige comme il y a quelques décennies. Nous sommes arrivés à un stade ou des recherches très poussées sont effectué pour améliorer le ski ou la performance du skieur de quelques centièmes de seconde sur une descente. C’est pour cela que cette technologie est gardée en partie secrète par les constructeurs, même si les performances dépendent de la préparation minutieuse des skis dont seuls les professionnels ont le savoir faire. Mais il ne faut pas oublier que c’est le sportif qui se trouve sur les skis ou surf qui contrôle ses actions et que là, ce sont les sensations qui priment sur la technologie.

Girard hugues et Veron éric TS2

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