Friction in Ice Hockey: Comparison of different models of skate blades

En hockey sur glace, et en patinage en général, la vitesse de déplacement est limitée par deux résistances principales : la résistance aérodynamique (R_A, en Newton) et la résistance de friction (f, en Newton) entre la glace et la lame du patin (Fig. 1). A des vitesses égales ou supérieures à environ 10 m·s^-1, la résistance aérodynamique et la résistance de friction comptent, respectivement, pour 75 et 25% de la puissance produite par l’athlète.

Pour des vitesses plus faibles, c’est f qui est prédominante. Elle représente le frottement qui existe entre deux matières en contact qui se déplacent l’une sur l’autre. Elle est dépendante de deux variables, le coefficient de friction cinétique (µ, sans unités) et de la force (R, en Newton). R représente la réaction au sol du poids de l’athlète où m (en kg) est la masse de l’athlète et g (en m·s^-2), l’accélération gravitationnelle :

f = \mu \times \ R

f = \mu \times m \times \ g

µ permet de caractériser la résistance de friction entre deux surfaces définies et dans des conditions précises. Par exemple, la friction cinétique entre l’acier et la glace sera différente de celle entre le bois et la glace, etc.

Comme vous l’aurez deviné, la performance en hockey sur glace ne dépend pas uniquement des compétences physiques et techniques des hockeyeurs. L’équipement joue un rôle important, et la lame du patin est un élément clé. Pour les nombreuses manœuvres de patinage, tels que l’accélération ou les changements de direction brusques, la lame doit permettre une bonne tenue sur la glace tout en minimisant la friction avec celle-ci afin de maintenir une vitesse élevée lors des phases de “non-patinage”. Bien que la conception et la forme des lames de patin n’aient pas beaucoup évolué, de nouveaux types de lames émergent ces dernières années avec pour objectif d’améliorer les performances des joueurs de hockey.

L’étude réalisée

En 2008, une équipe de l’université de Calgary, Canada a comparé les caractéristiques de friction d’un nouveau type de lames avec une lame standard. Le brevet de ce nouveau type de lame a été déposé en 2004 et a pour spécificité d’être évasé vers le bas avec un angle variant de 4 à 8 degrés (Fig. 2).

Afin de comparer les 4 lames, les auteurs ont utilisé la méthode de décélération à l’aide d’une luge en aluminium sous laquelle étaient fixées 3 lames identiques et sur lesquelles reposait une charge constante (53 kg × 3) (Fig. 3). Chaque type de lame a été monté sur la luge et testé plusieurs fois : 33 fois pour la lame standard, 28 fois pour la lame à 4°, 7 fois pour la lame à 6° et 26 fois pour la lame à 8°.

La luge était propulsée mécaniquement et toujours à la même vitesse de départ, égale à environ 1.8 m·s^-1. Á cette faible vitesse, ils ont supposé la résistance aérodynamique négligeable. La luge passait entre des cellules photoélectriques à 0, 2, 12 et 14 m pour enregistrer les temps de passage. Á partir de la seconde loi de Newton (F = m × a), où a est la décélération de la luge, le coefficient de la friction cinétique s’exprime :

\mu = \frac{f}{m \times g}=\frac{m \times a}{m \times g}=\frac{a}{g}

Pour déterminer µ, les chercheurs ont supposé la décélération de la luge constante. Puis à partir des équations du mouvement, ils ont déterminé en fonction du temps et du déplacement de la luge, sa décélération et ainsi obtenu µ.

Résultats & Analyses

Les coefficients de friction cinétique moyens mesurés pour les différents types de lames sont :

• Lame standard : µ = 0.0071
• Lame à 4° : µ = 0.0061
• Lame à 6° : µ = 0.0061
• Lame à 8° : µ = 0.0056

Néanmoins, les auteurs ont constaté que ces valeurs moyennes fluctuaient de manière importante entre les différents jours de tests. Ces variations étaient dues aux différentes conditions de température et de surface de la glace. Pour éviter ce problème, les auteurs ont comparé les coefficients de friction cinétique en pourcentage du coefficient de friction de la lame standard pour une même journée (Fig. 4). Ils ont constaté une diminution de µ de 13 à 22 % en moyenne comparé à celui de la lame standard.

Ces résultats semblent suggérer que la forme de la lame a une influence sur le coefficient de friction cinétique. L’augmentation de la base de la lame, qui est en contact avec la glace, améliorerait la glisse du patin en diminuant la résistance de friction. Néanmoins, ces résultats restent à confirmer car les variations observées étaient importantes et le coefficient de friction dépend de nombreux facteurs : les caractéristiques géométriques de la lame, la température de la glace, la température de l’air, la température de la lame et l’humidité.

De plus, les conditions de test des lames ne sont pas représentatives des conditions réelles de glisse lors d’un match de hockey :

1. La vitesse : La vitesse initiale utilisée lors des tests était très faible en comparaison aux vitesses atteintes en hockey sur glace.
2. L’isolation thermique : La luge en aluminium n’était pas isolée thermiquement des lames. Sur les patins, les lames sont montées sur des plaques en plastique, ce qui inhibe les transferts de chaleur.

Applications pratiques

En hockey sur glace, les phases de glisse en ligne droite sont rares. Comme le reconnaissent les auteurs, améliorer la friction des lames n’aura pas forcément d’impact sur la performance des joueurs, car celle-ci est surtout liée aux accélérations, changement brutale de direction, etc. De plus, sur des sprints de 5 m, la résistance de friction n’intervient que sur quelques millièmes de m·s^-1. Les caractéristiques des lames de patin devront être étudiées sous différents angles pour répondre au mieux aux exigences de l’activité.

Le résultat de cette étude est toutefois applicable à d’autres sports de glace comme le patinage de vitesse, le bobsleigh ou la luge/skeleton. En effet, dans ces sports de vitesse, la minimisation des résistances aérodynamiques et de friction est fortement corrélée à la performance. Et il serait intéressant d’étudier l’influence de la largeur de la lame sur la vitesse, d’autant plus que les lames du patinage de vitesse sont très fines (~ 1.1 – 1.4 mm).

Référence

Federolf PA, Mills R and Nigg B. Ice friction of flared ice hockey skate blades. J Sports Sci 26 (11): 1201-1208, 2008.