zdá se, že surfaři tančí na vlnách oceánu, ale co je udržuje nad vodou nebo v pohybu? Pojďme prozkoumat fyziku ve hře v surfování.

autor: Jonathan Trinastic

surfaři chytající dokonalou vlnu spoléhají na dlouholeté zkušenosti a naučenou intuici při navigaci skrz praskající tunel vody. Surfování však lze také považovat za surfařův neustálý minuet s desítkami měnících se sil, které hrozí, že se do padajících vln vrhnou i ti nejzkušenější. Pojďme prozkoumat nejdůležitější síly ve hře pochopit tento jedinečný tanec s vodou, že tolik lásky.

související: věda SKATEBOARDING: HALF-PIPE PHYSICS

fyzika surfování

věda připojen: když surfaři čekat na správnou vlnu, mohou nechat další vlny projít pod nimi. Jaké síly jsou ve hře?

Dr. Jonathan Trinastic: Surfování zahrnuje mnoho fyzikálních principů-gravitaci—vztlak, točivý moment a vlny. Do fyziky vln se dostaneme o něco později, ale přemýšlet o někom, kdo stojí na surfu, je skvělá příležitost představit první tři koncepty a jak ovlivňují schopnost surfaře ovládat desku.

Představte si surfaře stojícího v přímém středu Surf. Ve hře jsou dvě hlavní síly: gravitace, která táhne surfaře a desku dolů, a vztlaková síla, která ve skutečnosti tlačí plovoucí Surf nahoru v opačném směru. Všichni jsme obeznámeni s gravitační silou, která nás drží na zemi. Nejdůležitější myšlenkou gravitace je v tomto případě to, že je silnější, když působí na něco s větší hmotností.

vztlak na druhou stranu není tak intuitivní. Pomyslete na gumovou kachničku, se kterou jste si mohli hrát jako dítě, plovoucí ve vaně. Když umístíme kachnu do vody, částečně se ponoří, ale neklesne až na dno. Proč? Jak kachna začne klesat, cítí větší tlak směrem nahoru z hlubší vody ve vaně. Vzhledem k tomu, že kachna je vyrobena z lehkého materiálu s nízkou hustotou, tento tlak vzhůru nakonec přemůže gravitaci a zabrání potopení kachny. Hustší předměty, jako je medicinbal nebo závaží, by klesaly na dno, protože gravitační síla na něm je mnohem silnější než vztlaková síla z vody.

související: surfaři vyzvednout SLACK sledovat vodu

stejná logika platí pro surfy. Lehký Surf je navržen velmi specifickým způsobem, takže vzestupná vztlaková síla působící na něj je větší než gravitační síla působící dolů, což jí umožňuje plavat. Nyní přidejte surfaře na vrchol středu desky. Pokud je surfař nehybný, gravitační síla působící na ni, aby ji stáhla dolů, pravděpodobně překoná vztlakovou sílu na desce a surfař a deska se potopí. Jako surfařka však čeká na správnou vlnu, pravděpodobně se pohybuje vodou a vlny pod ní neustále stoupají a padají. Voda pohybující se po dně desky vytváří mnoho dalších vzestupných sil (nazývaných hydrodynamické síly), které udržují surfaře nad vodou, spíše než padají do vody. Existuje mnoho dalších zajímavých fyzikálních principů, jako je zachování hybnosti, které také pomáhají zabránit tomu, aby se surfaři potopili do oceánu.

Science Connected: z fyzikálního hlediska, jak mohou surfaři udržovat rovnováhu, když se postaví na své desky?

Trinastic: točivý moment je klíčem k pochopení toho, jak surfaři udržují kontrolu. Jak jsem již zmínil, voda se neustále vlní pod surfovým prknem, což vytváří další měnící se a nepředvídatelné hydrodynamické síly působící na všechny části desky. Pokud je surfař ve středu desky, gravitace ji táhne dolů z jejího těžiště. Podobně, pokud je surf přímo vodorovný, vztlaková síla působí vzhůru ve středu desky. Jinými slovy, gravitace a vztlak působí v opačných směrech na stejném místě. Nyní řekněme, že příval vody náhle tlačí na zadní stranu desky, daleko od středu. Tato síla z vody způsobuje, že se deska chce otáčet a hrozí, že hodí surfaře do vody. Jakákoli síla, která vytváří tendenci se takto otáčet, se nazývá točivý moment.

surfař neustále bojuje s útočícími a prchavými točivými momenty kvůli chaotickému pohybu vln tlačících Surf ze všech stran. Aby se tomu zabránilo, musí se surfař naučit aplikovat svou váhu v určitých směrech a místech, aby vytvořil točivý moment v opačném směru, než je tomu u vln, aby (obecně) zrušil rotační síly a vyhnul se tváři plné vody.

Science Connected: co se stane, když surfař stojí v blízkosti přední nebo zadní části desky?

Trinastic: zatím jsem popsal pouze surfaře stojícího ve středu desky, v takovém případě její střed hmoty směřuje přímo dolů, v opozici vůči vzestupné vztlakové síle působící na vodorovnou desku. Věci se stávají komplikovanějšími, když se člověk vzdálí od středu, ale to je rozhodující pro brzdění a nastavení rychlosti. Jakmile se například surfař přesune dozadu, její gravitační síla se nyní posune od středu a směřuje dolů od zadní hrany. Tento posun v umístění síly vytváří točivý moment a otáčí zadní část desky do vody. Jak se to stane, více zadní části desky je nyní ponořeno, což zcela mění sílu vztlakové síly a posouvá ji zpět do nově ponořené části desky. Toto nastavení pokračuje, dokud se gravitační síla a vztlaková síla obecně nevyrovnají, odstraní točivý moment, ale nyní ponechá novou formu rovnováhy – se zadním koncem desky ponořeným a přední částí z vody. Toto nastavení je užitečné pro brzdění, protože deska se nyní svisle ponoří do vody, což zvyšuje odolnost proti průtoku vody. Přemýšlejte o ponoření ruky do řeky kolmé k toku vody. Pravděpodobně jste cítili, jak se voda vychýlila po stranách vaší ruky. Stejný efekt se děje se zadním koncem Surf a pomáhá zpomalit surfaře.

stejný nápad lze použít, pokud se surfař přesune na přední stranu desky. V tomto případě se síla vztlaku posune dopředu, aby vyrovnala gravitační sílu na přední hraně. Podobné principy by umožnily otáčení posunutím hmotnosti na levou nebo pravou stranu desky.

věda spojená: co je to vlna? Jaké síly vytvářejí vlny ve vodě? A co ovlivňuje rychlost těchto vln?

Trinastic: vlna může být velmi obtížně definovatelná, protože popisuje pohyb materiálem, nikoli samotným materiálem. Pomyslete na řetězec připevněný ke zdi. Řetězec není vlna, ale vlna je vytvořena, pokud houpám druhý konec lana nahoru a dolů v konzistentním vzoru. Energie, kterou používám k houpání paží, se přenáší na lano a přenáší vlnu z mé ruky na zeď a zpět ke mně. Proto vlna obsahuje energii, která je přenášena materiálem, v tomto případě lanem.

totéž platí o vlnách v oceánu. Vysokorychlostní vítr se v podstatě otírá o hladinu vody. Toto tření přenáší energii z rychle se pohybujících molekul vzduchu na molekuly vody. Velikost vlny je určena mnoha faktory, včetně rychlosti větru a „načtení“ nebo oblasti, nad kterou vítr fouká. Jak se tato oblast zvětšuje, více energie může být přeneseno z větru do vody, což vytváří mnohem větší vlnový hřeben.

hlavním bodem je, že vlna je forma přenosu energie. Oceán je v tomto případě vysílacím médiem a vodní vlny vznikají v důsledku přenosu energie z větru foukajícího po povrchu.

věda připojena: jak surfař chytí vlnu?

Trinastic: začněme vlnou přicházející směrem k surfaři ležícímu na její desce. Surfař začne pádlovat směrem k vlně, aby zvedl rychlost. Toto je jen třetí Newtonův zákon, který říká, že síla surfaře, která tlačí vodu zpět, vytvoří stejnou a opačnou reakci, která posune surfaře směrem k vlně.

stejně jako surfař narazí na dno vlny, měla by začít cítit, jak voda tlačí dopředu a nahoru. Tato hydrodynamická síla ji bude tlačit dopředu a dá jí rychlost, když vyskočí na nízkou krčku, aby následovala vlnu. Kromě hlavní hydrodynamické síly, která ji nyní tlačí nahoru a dopředu, mnoho menších sil z minutových posunů průtoku vody bude vyžadovat, aby surfař neustále upravoval svou váhu, aby udržel rovnováhu.

jede na vlně! Nyní však hřeben vlny bude i nadále stoupat výš a výš, jak se pohybuje blíže ke břehu, a vytváří tak více hydrodynamických sil, které chtějí surfaře tlačit do strany. Pokud surfař jede příliš vysoko na vlně, tyto horizontální síly z hřebenu ji mohou tlačit. Na druhou stranu, pokud je příliš konzervativní a zůstane příliš nízká, ztratí rychlost, kterou jí dává veškerá energie, která se nahromadila ve vlně. Takže dovednost v surfování je jezdit na té dokonalé hranici mezi rovnováhou a rychlostí. Přes tuto hrozbu, je možné jezdit výš ve vlně na krátkou dobu využitím dostředivé síly, způsobem velmi podobným skateboardistovi na půlpipe, jak jsem diskutoval v tomto předchozím příspěvku.

pokud se vlna začne otáčet, surfař bude muset také aplikovat svou váhu na levou nebo pravou stranu desky, aby aplikoval točivý moment a jemně otočte desku, aby si udržela svou cestu podél vlny.

je neuvěřitelné přemýšlet o celém tomto procesu v kontextu gravitace a vztlaku, o kterém jsem mluvil dříve! Vztlak působí na palubě prostřednictvím tohoto procesu, protože gravitace se neustále snaží vytáhnout surfaře do vody. Je to opravdu hydrodynamické síly z vlny, které pracují s vztlakovou silou, spolu se zachováním hybnosti, aby pomohly udržet surfaře.

související: věda SLOSHING: proč pěna je důležitá

věda připojen: z hlediska fyziky, jak se krátké desky liší od dlouhých desek v kontextu surfování?

Trinastic: krátké desky budou mnohem snazší otáčet ve vodě ve srovnání s dlouhými deskami. Tento rozdíl je způsoben fyzickým pojmem známým jako Moment setrvačnosti. Setrvačnost popisuje, jak obtížné je změnit pohyby něčeho, jakmile se začne pohybovat. Dlouhé desky mají mnohem větší hmotnost daleko od osy otáčení desky, což vytváří mnohem větší setrvačnost, aby odolalo změně směru, kterou se surfař snaží udělat.

ačkoli dlouhé desky nemusí být tak hbité, dosahují vyšších rychlostí než krátké desky, hlavně proto, že jejich větší povrch poskytuje více prostoru pro vodu, aby posunula surfaře.

doporučený obrázek: US Open surfování na Huntington Beach Verse Photography.

Edwards, A. (2012). Inženýrství za surfováním. Illumin, 18(1).