Maintenir une patinoire sur glace

Parlons sciences
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6.28

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Apprends-en plus sur la chimie des patinoires et les technologies qui nous permettent d’en profiter aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur.

Est-ce que tu joues au hockey sur glace? Est-ce que tu fais du patin? De nombreux Canadiens répondraient oui. Même si tu as répondu non, tu as peut-être regardé des sports sur glace à la télé. Mais t’es-tu déjà demandé comment les anneaux de glace restent gelés?

Le savais-tu? 

En 2019, c’est le canal Rideau d’Ottawa qui détient le record mondial Guinness pour la plus longue patinoire gelée de manière naturelle. Elle mesure 7,8 kilomètres de long.

Patineurs sur le canal Rideau
Patineurs sur le canal Rideau (Source : Saffron Blaze [résolution limitée] par Wikimedia Commons).

Pourquoi la glace flotte-t-elle? 

Un scientifique nommé John Dalton a proposé une théorie appelée théorie atomique. La matière est composée de minuscules particules appelées atomes. Cette théorie tente d’expliquer comment les atomes interagissent les uns avec les autres. Il a fondé la théorie atomique sur plusieurs lois. Par exemple :

  • La loi de la conservation de la masse stipule que la matière ne peut être ni créée ni détruite;
  • La loi de composition constante stipule que tous les atomes d’un élément particulier ont la même masse et les mêmes propriétés.

Il a utilisé ses connaissances pour déterminer deux choses :

  1. Les composés sont constitués de combinaisons de deux ou plusieurs types d’atomes;
  2. Une réaction chimique est un réarrangement d’atomes.

Les trois états les plus courants de la matière sont les solides, les liquides et les gaz. Les atomes de la plupart des solides sont entassés ensemble de manière plus dense que ceux des liquides ou des gaz. C’est l’une des raisons pour lesquelles les solides peuvent conserver leur forme. Par ailleurs, les liquides et les gaz peuvent flotter, ou être versés. 

La plupart des liquides deviennent plus denses lorsqu’ils passent de l’état liquide à l’état solide. Les matériaux denses coulent habituellement lorsqu’on les place dans un matériau moins dense. Par exemple, si tu jettes un sou de cuivre dans une fontaine, il coulera. C’est parce que le sou est plus dense que l’eau. 

Peux-tu penser à un solide auquel ce phénomène ne s’applique pas? Un indice : pense au début de cet article.

Si tu as répondu la glace, tu as raison!

Si la glace était plus dense que l’eau, tu ne pourrais jamais aller patiner sur un étang ou un lac gelé. L’eau gelée deviendrait plus dense que l’eau liquide et coulerait sous la surface. Heureusement pour nous, l’eau liquide est plus dense à environ quatre degrés Celsius. Elle devient moins dense lorsqu’elle se transforme en un solide gelé. C’est pourquoi les glaçons flottent lorsque tu en mets dans ta boisson!

Comment fonctionne une patinoire ? (2016) par C'est pas sorcier (1 min 16 sec).

Quels sont les deux types de patinoires?

Il existe deux principaux types de patinoires. L’un deux possède une glace qui gèle de manière naturelle lorsque la température est froide. Le canal Rideau à Ottawa en est un bon exemple.

L’autre type est doté de glace gelée artificiellement (ou mécaniquement). Les patinoires que tu vois à la télé pour le hockey et le patinage artistique ou de vitesse en sont des exemples. Est-ce qu’il y a une patinoire intérieure dans ta collectivité? C’est aussi un exemple de patinoire de glace artificielle.

La première patinoire de glace artificielle au Canada a été construite en 1911 à Vancouver, en Colombie-Britannique. Elle a été construite par deux frères, Lester et Frank Patrick. La glace artificielle a rapidement fait son chemin jusqu’à Toronto en 1912. En 1920, il y avait quatre patinoires de glace artificielle au Canada. 

Le savais-tu? 

Le plus vieil enregistrement d’une partie de hockey sur glace organisée à l’intérieur remonte au 3 mars 1875, à la patinoire intérieure Victoria à Montréal, au Québec. Les températures hivernales très froides gardaient la patinoire et les spectateurs gelés! 

Patinoire Victoria à Montréal, 1893
Patinoire Victoria à Montréal, 1893 (Source : William Notman & fils [domaine public] par Wikimedia Commons).

Comment garder une patinoire gelée?

Une patinoire artificielle est une pièce d’ingénierie complexe. De nombreuses choses se passent sous la glace que l’on ne peut pas voir. 

Sous la glace ou la « surface de patinage » (A) se trouve un grand plancher de béton. On l’appelle également « plaque de glace » (B). La plaque de glace contient des centaines de mètres de tuyaux (C). Une saumure (de l’eau salée) est pompée dans ces tuyaux. Le plancher de béton repose sur une couche d’isolant (D). Cette couche permet à la glace de prendre de l’expansion et de se contracter au besoin. Lorsque la glace prend de l’expansion, les atomes s’éloignent les uns des autres. Lorsque la glace se contracte, les atomes se rapprochent. Sous la couche d’isolant se trouve une couche de béton chauffé (E). Cette couche empêche la contraction ou l’expansion naturelle du sol qui pourrait faire craquer les couches supérieures. Toute la structure repose sur une base de sable et de gravier (F). Cette base contient un drain souterrain (G).

Parties d’une surface de glace artificielle
Parties d’une surface de glace (© 2019 Parlons sciences, utilisation d’une image desayu_k via iStockphoto).

 

Légende

Parties d’une surface de glace artificielle A : surface de patinage; B : plancher de béton; C : tuyaux contenant la saumure; D : couche isolante; E : béton chauffé; F : base de sable et de gravier; G : drain souterrain.


Alors, comment la glace est-elle fabriquée? Tout d’abord, la saumure dans les tuyaux refroidit la base de béton. La saumure est une eau qui contient une grande quantité de sel. La saumure peut être refroidie à de basses températures sans geler. Elle maintient la glace de la patinoire à moins quatre degrés Celsius. 

Lorsque la base de béton est suffisamment froide, de l’eau est ajoutée par couches. Cette action est appelée inondation. Lorsque la couche de base de la glace est complètement gelée, les marques de hockey sont peintes sur la glace. Ces marques peuvent comprendre des lignes, les logos des équipes et des publicités. Enfin, la patinoire est inondée de plusieurs autres fines couches d’eau afin de protéger la peinture

Mais que se passe-t-il si l’on veut utiliser l’espace intérieur pour un autre sport? Eh bien, on peut supprimer la glace en pompant de la saumure chaude dans les mêmes tuyaux qui ont servi à pomper de la saumure froide. Cela fait fondre la glace qui recouvre la base de béton.

Comme tu peux le constater, il y a beaucoup de chimie physique derrière la glace sur laquelle nous patinons et jouons au hockey! 
 

Amorces de discussion

Faire des liens

  • Le hockey est souvent considéré comme le passe-temps national du Canada. Pourquoi penses-tu que le hockey est devenu aussi populaire dans le monde, même dans les climats chauds?
  • Aimes-tu jouer au hockey ou patiner? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Préfères-tu patiner sur la glace naturelle ou artificielle? Explique ton choix. 
     

Faire des liens

  • Le hockey est souvent considéré comme le passe-temps national du Canada. Pourquoi penses-tu que le hockey est devenu aussi populaire dans le monde, même dans les climats chauds?
  • Aimes-tu jouer au hockey ou patiner? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Préfères-tu patiner sur la glace naturelle ou artificielle? Explique ton choix. 
     

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Comment les sciences et la technologie se sont-elles combinées pour créer les patinoires de glace intérieures? Explique.
  • Comment les changements environnementaux, comme ceux associés aux changements climatiques, ont-ils des répercussions économiques et culturelles sur les activités récréatives hivernales? Explique.
  • À part la technologie de refroidissement, quelles autres technologies aident les gens à jouer au hockey?
     

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Comment les sciences et la technologie se sont-elles combinées pour créer les patinoires de glace intérieures? Explique.
  • Comment les changements environnementaux, comme ceux associés aux changements climatiques, ont-ils des répercussions économiques et culturelles sur les activités récréatives hivernales? Explique.
  • À part la technologie de refroidissement, quelles autres technologies aident les gens à jouer au hockey?
     

Explorer les concepts

  • Qu’arrive-t-il à la densité de la plupart des liquides lorsqu’ils passent de l’état liquide à l’état solide? En quoi l’eau est-elle différente? 
  • Qu’arrive-t-il aux molécules d’eau lorsque la température chute à environ 4°C? Pourquoi l’eau solide flotte-t-elle? Pourquoi la structure moléculaire de l’eau solide lui permet-elle de flotter? 
  • Quelle loi de la physique stipule que la matière ne peut être ni créée ni détruite? 
  • Qu’est-ce qu’une patinoire de glace artificielle? 
  • À quoi sert la saumure sous le béton d’une patinoire artificielle? Comment refroidit-elle la surface de béton? 
  • As-tu déjà observé une Zamboni se promener sur la glace dans ton aréna? Qu’est-ce qu’elle fait pendant qu’elle circule? 

Explorer les concepts

  • Qu’arrive-t-il à la densité de la plupart des liquides lorsqu’ils passent de l’état liquide à l’état solide? En quoi l’eau est-elle différente? 
  • Qu’arrive-t-il aux molécules d’eau lorsque la température chute à environ 4°C? Pourquoi l’eau solide flotte-t-elle? Pourquoi la structure moléculaire de l’eau solide lui permet-elle de flotter? 
  • Quelle loi de la physique stipule que la matière ne peut être ni créée ni détruite? 
  • Qu’est-ce qu’une patinoire de glace artificielle? 
  • À quoi sert la saumure sous le béton d’une patinoire artificielle? Comment refroidit-elle la surface de béton? 
  • As-tu déjà observé une Zamboni se promener sur la glace dans ton aréna? Qu’est-ce qu’elle fait pendant qu’elle circule? 

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article peut être utilisé pour appuyer l’enseignement et l’apprentissage de la chimie, de la Terre et l’environnement, et des mathématiques et de la physique liés aux changements d’état, aux états de la matière et à l’ingénierie. Les concepts introduits comprennent la théorie atomique, la matière, la loi de la conservation, la loi de la composition, les composés, la réaction chimique, flotter, ingénierie, saumure, expansion, contracter, et inondation.  
  • L’enseignant ou enseignante pourrait présenter cet article et susciter l’intérêt des élèves en dirigeant une discussion en classe sur les activités récréatives hivernales.
  • Avant de lire cet article et de regarder la vidéo intégrée, les enseignants pourraient également fournir aux élèves un Aperçu du vocabulaire afin qu’ils accèdent à des connaissances antérieures et acquièrent une nouvelle terminologie. Les fiches reproductible prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Après avoir lu l’article et regardé la vidéo, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser un Diagramme de Venn – Texte et vidéo pour organiser et comparer l’information présentée dans chacune de ces ressources. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Après avoir lu l’article et regardé la vidéo, les enseignants pourraient diriger une discussion sur la manière dont les technologies relatives aux activités récréatives hivernales ont changé au fil du temps et pourraient devoir changer encore davantage avec les changements climatiques. Voici d’autres exemples : la fabrication de neige pour les pentes de ski, les surfaces de glace artificielle, les pistes de luge, les tremplins pour le saut à ski, les constructions en demi-lune pour la planche à neige, etc.
     

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article peut être utilisé pour appuyer l’enseignement et l’apprentissage de la chimie, de la Terre et l’environnement, et des mathématiques et de la physique liés aux changements d’état, aux états de la matière et à l’ingénierie. Les concepts introduits comprennent la théorie atomique, la matière, la loi de la conservation, la loi de la composition, les composés, la réaction chimique, flotter, ingénierie, saumure, expansion, contracter, et inondation.  
  • L’enseignant ou enseignante pourrait présenter cet article et susciter l’intérêt des élèves en dirigeant une discussion en classe sur les activités récréatives hivernales.
  • Avant de lire cet article et de regarder la vidéo intégrée, les enseignants pourraient également fournir aux élèves un Aperçu du vocabulaire afin qu’ils accèdent à des connaissances antérieures et acquièrent une nouvelle terminologie. Les fiches reproductible prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Après avoir lu l’article et regardé la vidéo, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser un Diagramme de Venn – Texte et vidéo pour organiser et comparer l’information présentée dans chacune de ces ressources. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Après avoir lu l’article et regardé la vidéo, les enseignants pourraient diriger une discussion sur la manière dont les technologies relatives aux activités récréatives hivernales ont changé au fil du temps et pourraient devoir changer encore davantage avec les changements climatiques. Voici d’autres exemples : la fabrication de neige pour les pentes de ski, les surfaces de glace artificielle, les pistes de luge, les tremplins pour le saut à ski, les constructions en demi-lune pour la planche à neige, etc.
     

En savoir plus

Hockey Rink Time-Lapse (2011) Langley Events Centre -- Vidéo accélérée (2 min 49 s) montrant l’installation d’une surface de glace dans une patinoire intérieure.

Comment faire une patinoire chez soi - Canal Vie -- Directives sur la fabrication d’une patinoire extérieure à « faible technologie » en hiver.

Références

HowStuffWorks.com. (2000, avril 1). How do they make the ice at an ice skating rink?

Khan Academy. (2015). Dalton's atomic theory.

Russell, R. (2008, juin 25). Solid state. Windows to the Universe.

Schrodt, B. (2015, mars 4). Ice skating. The Canadian Encyclopedia.

United States Geological Survey. (n.d.). Water density.