surfere ser ud til at danse på havbølger, men hvad holder dem flydende eller i bevægelse? Lad os udforske fysik på spil i surfing.

af Jonathan Trinastic

surfere fange den perfekte bølge stole på års erfaring og lært intuition til at navigere gennem en cresting tunnel af vand. Men surfing kan også ses som en Surfers konstante menuet med snesevis af skiftende kræfter, der truer med at tumle selv den mest ekspert ind i de nedbrudte bølger. Lad os udforske de vigtigste kræfter på spil for at forstå denne unikke dans med vand, som så mange elsker.

relateret: SCIENCE of SKATEBOARDING: HALF-PIPE PHYSICS

surfingens fysik

Science Connected: når surfere venter på den rigtige bølge, kan de lade andre bølger passere under dem. Hvilke kræfter er på spil?

Dr. Jonathan Trinastic: Surfing omfatter mange fysiske principper-tyngdekraft, opdrift, drejningsmoment og bølger. Vi kommer ind i bølgefysik lidt senere, men at tænke på nogen, der står på et surfbræt, er en fantastisk mulighed for at introducere de første tre koncepter, og hvordan de påvirker en Surfers evne til at kontrollere tavlen.

Forestil dig en surfer, der står i det direkte centrum af surfbrættet. To store kræfter er i spil: tyngdekraften, der trækker surferen og brættet ned, og den flydende kraft, der faktisk skubber det flydende surfbræt op i den modsatte retning. Vi er alle bekendt med tyngdekraften, der holder os på jorden. Den vigtigste ide om tyngdekraften er i dette tilfælde, at den er stærkere, når man handler på noget med mere masse.

opdrift er derimod ikke så intuitivt. Tænk på gummi ducky du måske har spillet med som barn, flyder i badekarret. Når vi placerer anden i vandet, nedsænkes den delvist, men synker ikke helt ned til bunden. Hvorfor det? Da anden begynder at synke, føles det mere opadgående pres fra det dybere vand i karret. Da anden er lavet af let materiale med lav densitet, overstyrer dette opadgående tryk til sidst tyngdekraften og forhindrer anden i at synke. Tættere genstande som en medicinkugle eller vægte ville synke til bunden, fordi tyngdekraften på den er meget stærkere end den opadgående opdrift fra vandet.

relateret: surfere henter slakken for at overvåge vand

denne samme logik gælder for surfbrætter. Det lette surfbræt er designet på en meget specifik måde, således at den opadgående opdrift, der virker på den, er større end tyngdekraften, der virker ned, så den kan flyde. Tilføj nu surferen oven på midten af brættet. Hvis surferen er stationær, vil tyngdekraften, der virker på hende for at trække hende ned, sandsynligvis overvinde den flydende kraft på brættet, og surferen og brættet synker. Men da en surfer venter på den rigtige bølge, bevæger hun sig sandsynligvis gennem vandet, og bølgerne stiger konstant og falder under hende. Vandet, der bevæger sig over bunden af brættet, skaber mange yderligere opadgående kræfter (kaldet hydrodynamiske kræfter), der holder surferen flydende snarere end at tumle i vandet. Der er mange andre interessante fysiske principper på arbejde her, som bevarelse af momentum, der også hjælper med at forhindre surfere i at synke ned i havet.

videnskab tilsluttet: i fysik, hvordan kan surfere opretholde balance, når de står op på toppen af deres brædder?

Trinastic: drejningsmoment er nøglen til at forstå, hvordan surfere opretholder kontrol. Som jeg nævnte tidligere, er vand konstant bølgende under surfbrættet, hvilket skaber yderligere varierende og uforudsigelige hydrodynamiske kræfter, der virker på alle dele af brættet. Hvis surferen er i midten af brættet, trækker tyngdekraften hende ned fra sit massecenter. Tilsvarende, hvis surfbrættet er direkte vandret, virker den flydende kraft opad i midten af brættet. Med andre ord virker tyngdekraften og opdrift i modsatte retninger på samme sted. Lad os nu sige, at et rush af vand pludselig skubber op på bagsiden af brættet, langt fra midten. Denne kraft fra vandet får brættet til at rotere og truer med at kaste surferen i vandet. Enhver kraft, der skaber en tendens til at rotere som denne, er kendt som et drejningsmoment.

en surfer kæmper konstant med angribende og flygtige drejningsmomenter på grund af den kaotiske bevægelse af bølger, der skubber surfbrættet fra alle sider. For at imødegå disse skal surferen lære at anvende sin vægt i bestemte retninger og placeringer for at skabe drejningsmoment i den modsatte retning som bølgerne, for (generelt) at annullere rotationskræfterne og undgå at få et ansigt fyldt med vand.

Science Connected: Hvad sker der, når en surfer står nær forsiden eller bagsiden af brættet?

Trinastic: indtil videre har jeg kun beskrevet en surfer, der står i midten af brættet, i hvilket tilfælde hendes centrum af massepunkter direkte nedad i modsætning til den opadgående opdrift, der virker på et vandret bræt. Ting bliver mere komplicerede, når personen bevæger sig væk fra midten, men dette er kritisk for bremsning og justering af hastighed. Så snart surferen for eksempel bevæger sig bagpå, skifter hendes tyngdekraft nu væk fra midten og peger nedad fra bagkanten. Dette skift i kraftens placering skaber et drejningsmoment og roterer bagsiden af brættet i vandet. Efterhånden som dette sker, er mere af bagsiden af brættet nu nedsænket, hvilket fuldstændigt ændrer styrken af opdriftskraften og skifter den tilbage til den nyligt nedsænkede del af brættet. Denne omjustering fortsætter, indtil tyngdekraften og den flydende kraft generelt afbalancerer, fjerner drejningsmomentet, men efterlader nu en ny form for ligevægt—med bagenden af brættet nedsænket og den forreste del ud af vandet. Denne opsætning er nyttig til bremsning, da brættet nu dypper lodret ned i vandet, hvilket øger modstanden mod vandstrøm. Tænk på at dyppe din hånd i en flod vinkelret på vandstrømmen. Du følte sandsynligvis vandet afbøjet til siderne af din hånd. Den samme effekt sker med bagenden af surfbrættet og hjælper med at bremse surferen ned.

den samme ide kan anvendes, hvis surferen bevæger sig til forsiden af brættet. I dette tilfælde vil opdriftskraften skifte fremad for at afbalancere tyngdekraften ved forkanten. Lignende principper ville gøre det muligt at dreje ved at skifte vægt til venstre eller højre side af brættet.

videnskab forbundet: Hvad er en bølge? Hvilke kræfter skaber bølger i vand? Og hvad påvirker hastigheden af disse bølger?

Trinastic: en bølge kan være et meget vanskeligt fænomen at definere, fordi den beskriver en bevægelse gennem et materiale, ikke selve materialet. Tænk på en streng fastgjort til en væg. Strengen er ikke en bølge, men en bølge oprettes, hvis jeg svinger den anden ende af rebet op og ned i et ensartet mønster. Den energi, jeg bruger til at svinge min arm, overføres til rebet og overfører en bølge fra min hånd til væggen og tilbage til mig. Derfor indeholder bølgen energi, der overføres gennem et materiale, i dette tilfælde rebet.

det samme gælder bølger i havet. Højhastighedsvind gnider i det væsentlige mod vandets overflade. Denne friktion overfører energi fra de hurtigt bevægende luftmolekyler til vandmolekylerne. Størrelsen af bølgen bestemmes af mange faktorer, herunder vindhastigheden og “hentningen” eller det område, hvor vinden blæser. Når dette område øges, kan mere energi overføres fra vinden til vandet, hvilket skaber en meget større bølgekam.

det vigtigste punkt her er, at en bølge er en form for energitransmission. Havet er det transmitterende medium i dette tilfælde, og vandbølger skabes som et resultat af, at energi overføres fra vindblæsning over overfladen.

videnskab tilsluttet: hvordan fanger en surfer en bølge?

Trinastic: lad os starte med en bølge, der kommer ind mod en surfer, der ligger på hendes bord. Surferen begynder at padle mod bølgen for at hente hastigheden. Dette er bare den tredje lov, der siger, at surferens kraft, der skubber vandet tilbage, vil skabe en lige og modsat reaktion for at skubbe surferen mod bølgen.

ligesom surferen rammer bunden af bølgen, skal hun begynde at føle vandet skubbe fremad og opad. Denne hydrodynamiske kraft vil skubbe hende fremad og give hende fart, da hun hopper op til en lav crouch for at følge bølgen. Ud over den vigtigste hydrodynamiske kraft, der nu skubber hende op og fremad, vil mange mindre kræfter fra minutskift i vandstrømmen kræve, at surferen konstant justerer sin vægt for at holde balancen.

hun rider bølgen! Men nu vil bølgens kam fortsætte med at stige højere og højere, når den bevæger sig tættere på kysten, hvilket skaber flere hydrodynamiske kræfter, der ønsker at skubbe surferen sidelæns. Hvis surferen kører for højt op på bølgen, kan disse vandrette kræfter fra toppen skubbe hende over. På den anden side, hvis hun er for konservativ og forbliver for lav, vil hun miste den hastighed, der er tildelt hende af al den energi, der er akkumuleret i bølgen. Så færdigheden i surfing er at ride den perfekte linje mellem balance og hastighed. På trods af denne trussel er det muligt at køre højere op i en bølge i kort tid ved at udnytte centripetalkraften på en måde, der ligner en skateboarder på en halvrør, som jeg diskuterede i dette forrige indlæg.

hvis bølgen begynder at dreje, skal surferen også anvende sin vægt på venstre eller højre side af brættet for at anvende et drejningsmoment og forsigtigt dreje brættet for også at opretholde sin vej langs bølgen.

det er utroligt at tænke på hele denne proces i sammenhæng med tyngdekraft og opdrift, jeg talte om tidligere! Opdrift handler op på brættet gennem denne proces, da tyngdekraften konstant forsøger at trække surferen i vandet. Det er virkelig de hydrodynamiske kræfter fra bølgen, der arbejder med den flydende kraft sammen med bevarelse af momentum for at hjælpe med at holde surferen op.

relateret: videnskab om SLOSHING: hvorfor skum er vigtigt

Science Connected: i fysik, hvordan adskiller korte tavler sig fra lange Tavler i forbindelse med surfing?

Trinastic: korte brædder vil være meget lettere at vende i vandet sammenlignet med lange brædder. Denne forskel skyldes et fysisk koncept kendt som inertimoment. Inerti beskriver, hvor svært det er at ændre noget bevægelser, når det er begyndt at bevæge sig. Lange brædder har meget mere masse langt fra bordets rotationsakse, og dette skaber meget mere inerti for at modstå en retningsændring, som en surfer prøver at lave.

selvom lange brædder måske ikke er så kvikke, når de højere hastigheder end korte plader, hovedsageligt fordi deres større overflade giver mere areal til vand for at skubbe surferen sammen.

Udvalgt billede: US Open for Surfing på Huntington Beach af Verse Photography.

Edvard, A. (2012). Teknikken bag surfing. Illumin18(1).