Ressemblant à l'effet Leidenfrost observé dans les gouttelettes d'eau à ébullition rapide, un disque de glace devient très mobile en raison d'une couche d'eau en lévitation entre lui et la surface lisse sur laquelle il repose et fond. La rotation et la translation (glissement) autrement aléatoires du bloc de glace peuvent être dirigées en contrôlant la dynamique d'écoulement de la glace fondue transformée en eau près de la surface du disque.

En essayant de préparer une expérience pour étudier les propriétés d'adhérence de la glace, Stéphane Dorbolo, un chercheur senior FNRS en physique hébergé par l'Université de Liège en Belgique, a laissé tomber un bloc de glace en forme de boîte de Pétri sur la surface lisse, sol en béton. Son mouvement inhabituel, acquérir une rotation apparemment aléatoire lorsqu'il se déplace sur le sol, a incité Dorbolo à enquêter davantage, où ses résultats éventuels sur la lévitation de glace sont publiés dans le journal de cette semaine Physique des fluides , par les éditions AIP.

"L'histoire était complètement différente à cause de cet accident, " dit Dorbolo. " La question était, pourquoi ça bouge ? Parce qu'en fait, c'est une procédure très courante :vous avez un bloc de glace et puis il fond. Mais ça n'arrive pas, par exemple, sur une assiette en plastique. Cela n'arrive que sur la pierre très plate, ou sur une plaque métallique. C'était le début."

La zone de contact est beaucoup plus petite sur une patinoire, entre le bord d'une lame de patin et la glace, mais c'est pour la même raison que les bords des pales des patins à glace doivent être lisses et typiquement métalliques, au hockey et au patinage artistique, où le mouvement fluide est essentiel.

Le principal domaine d'intérêt de cette étude était l'interface de fusion, où la surface supportant un disque de glace - qu'il s'agisse de pierre lisse et non poreuse, métal ou même une flaque d'eau - fournit une chaleur relative et fait fondre rapidement la glace.

Dorbolo et son équipe ont précédemment étudié la dynamique d'un tel disque de glace fondant tout en se reposant sur la surface liquide de l'eau. Ces mouvements de la glace sont régis par des interactions différentes que si la glace reposait sur une surface solide, mais les enquêtes se sont avérées plus simples, étape initiale et a donné un aperçu de la dynamique de la façon dont l'eau nouvellement fondue s'écoule de la glace.

"L'idée principale était d'étudier le disque de glace fondant sur une assiette, mais nous avons commencé par étudier le disque de glace sur un bain, " dit Dorbolo. " En fait, quand nous sommes revenus à la fonte du disque de glace sur une assiette, nous avons découvert un mécanisme complètement différent."

L'effet ressemble à l'effet Leidenfrost, au centre de nombreuses vidéos YouTube mettant en vedette des gouttelettes d'eau "marchant" et "dansant" alors qu'elles flottent sur des surfaces lisses suffisamment chaudes pour faire bouillir rapidement le dessous des gouttelettes. L'ébullition rapide produit un coussin de vapeur en lévitation (vapeur) entre la gouttelette et la surface chauffante, augmenter la mobilité des gouttelettes.

"Cela signifie que vous devez avoir un réservoir thermique, comme la pierre ou la plaque métallique, faire fondre la glace assez vite, " dit Dorbolo. " Donc, le débit de fusion est important. Si ce n'est pas suffisant, vous n'avez pas ce film lubrifiant entre le disque et la plaque et il ne peut pas bouger. C'est pourquoi nous avons dit que c'était similaire à l'effet Leidenfrost."

Dorbolo a soigneusement souligné que le coussin liquide en lévitation de leurs disques de glace n'était pas exactement analogue à l'effet flottant ressenti par les gouttelettes de Leidenfrost, bien que leur intérêt à contrôler le mouvement soit commun à de nombreuses expériences de gouttelettes.

La configuration solide-liquide-solide de ce phénomène, par opposition à celle de solide-gaz-liquide dans le cas des gouttelettes, a conduit l'équipe à se concentrer sur l'écoulement de l'eau de la fonte continue de la glace pour étudier le contrôle du mouvement du disque.

"Vous avez un disque et il doit fondre assez vite pour avoir ce film de lubrification entre le disque et le plateau, et puis à cause de cette lubrification, le disque de glace est très mobile. Donc si vous ne contrôlez pas la fonte, vous verrez le bloc de glace bouger, " a dit Dorbolo

Si vous contrôlez la fonte, ou plus précisément l'écoulement de la glace fondue à proximité du disque, l'équipe a montré que le mouvement final de rotation et de glissement des disques de glace pouvait être soutenu et dirigé.

Ce contrôle a été atteint, essentiellement, sous la forme d'un petit trou réalisé par l'équipe de Dorbolo dans la surface de la plaque métallique, près de la glace flottante. Le trou mène à un tuyau de sortie, agissant comme un réservoir à travers lequel l'eau s'échappait en continu après avoir fondu sur le métal thermalisé. Pour contenir davantage le débit d'eau, l'équipe a également utilisé un placement minutieux de la vaseline sur la plaque.

Ils ont suivi le mouvement d'un disque de glace formé d'une boîte de Pétri à l'aide d'une ellipse noire figée sur la glace, imagé par une caméra pendant l'expérience. Le contraste et la forme asymétrique ont permis une surveillance précise du mouvement linéaire et de rotation des disques que le groupe de Dorbolo a ensuite analysé par rapport à d'autres données, comme la température et les débits.

Leurs découvertes offrent un aperçu des mécanismes précis du mouvement et des facteurs qui entraînent les mouvements, tels que l'épaisseur de la couche d'eau ou la direction de l'écoulement circulaire autour du bord du disque. Les scientifiques soulignent également comment les effets du liquide se comparent aux effets de vapeur analogues sur les gouttelettes dans l'effet Leidenfrost plus largement étudié.

Bien que le projet diverge de l'objectif de recherche principal de Dorbolo, il reconnaît de nombreuses façons possibles de poursuivre l'étude, que ce soit en modifiant la forme de la glace ou la structure de la surface de la plaque pour modifier la dynamique de l'écoulement. Il a également dit avec confiance, "Les gens auront des idées."