Surfer scheinen auf Meereswellen zu tanzen, aber was hält sie über Wasser oder bewegt sich? Lassen Sie uns die Physik beim Surfen erkunden.

Von Jonathan Trinastic

Surfer, die die perfekte Welle fangen, verlassen sich auf jahrelange Erfahrung und erlernte Intuition, um durch einen sich windenden Wassertunnel zu navigieren. Surfen kann aber auch als konstantes Menuett eines Surfers mit Dutzenden wechselnder Kräfte gesehen werden, die selbst den Experten in die krachenden Wellen zu stürzen drohen. Lassen Sie uns die wichtigsten Kräfte erforschen, um diesen einzigartigen Tanz mit Wasser zu verstehen, den so viele lieben.

RELATED: WISSENSCHAFT DES SKATEBOARDENS: HALFPIPE-PHYSIK

Die Physik des Surfens

Science Connected: Wenn Surfer auf die richtige Welle warten, können sie andere Wellen unter sich hindurchlassen. Welche Kräfte sind im Spiel?

Dr. Jonathan Trinastic: Surfen umfasst viele physikalische Prinzipien – Schwerkraft, Auftrieb, Drehmoment und Wellen. Wir werden ein wenig später in die Wellenphysik einsteigen, aber darüber nachzudenken, dass jemand auf einem Surfbrett steht, ist eine großartige Gelegenheit, die ersten drei Konzepte vorzustellen und wie sie die Fähigkeit eines Surfers beeinflussen, das Board zu kontrollieren.

Stellen Sie sich einen Surfer vor, der in der direkten Mitte des Surfbretts steht. Zwei große Kräfte im Spiel: schwerkraft, die den Surfer und das Board nach unten zieht, und die Auftriebskraft, die das schwimmende Surfbrett tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung nach oben drückt. Wir alle kennen die Schwerkraft, die uns am Boden hält. Die wichtigste Idee über die Schwerkraft ist in diesem Fall, dass sie stärker ist, wenn sie auf etwas mit mehr Masse einwirkt.

Auftrieb hingegen ist nicht so intuitiv. Denken Sie an die Gummiente, mit der Sie als Kind vielleicht gespielt haben und die in der Badewanne schwebte. Wenn wir die Ente ins Wasser legen, taucht sie teilweise ein, sinkt aber nicht ganz nach unten. Warum ist das so? Wenn die Ente zu sinken beginnt, spürt sie mehr Aufwärtsdruck durch das tiefere Wasser in der Wanne. Da die Ente aus leichtem Material mit geringer Dichte besteht, überwältigt dieser Aufwärtsdruck schließlich die Schwerkraft und verhindert, dass die Ente sinkt. Dichtere Gegenstände wie ein Medizinball oder Gewichte würden zu Boden sinken, weil die Schwerkraft darauf viel stärker ist als die Auftriebskraft aus dem Wasser nach oben.

RELATED: SURFER NEHMEN DIE LÜCKE AUF, UM WASSER ZU ÜBERWACHEN

Dieselbe Logik gilt für Surfbretter. Das leichte Surfbrett ist sehr spezifisch konstruiert, so dass die auf es einwirkende Auftriebskraft nach oben größer ist als die nach unten wirkende Schwerkraft, wodurch es schweben kann. Fügen Sie nun den Surfer oben in der Mitte des Bretts hinzu. Wenn der Surfer stationär ist, wird die Schwerkraft, die auf ihn einwirkt, um ihn nach unten zu ziehen, wahrscheinlich die Auftriebskraft auf dem Brett überwinden, und der Surfer und das Brett werden sinken. Da eine Surferin jedoch auf die richtige Welle wartet, bewegt sie sich wahrscheinlich durch das Wasser und die Wellen steigen und fallen kontinuierlich unter sie. Das Wasser, das sich über den Boden des Brettes bewegt, erzeugt viele zusätzliche Aufwärtskräfte (hydrodynamische Kräfte genannt), die den Surfer über Wasser halten, anstatt ins Wasser zu stürzen. Hier wirken viele andere interessante physikalische Prinzipien, wie die Erhaltung des Impulses, die auch dazu beitragen, dass Surfer nicht im Meer versinken.

Science Connected: Wie können Surfer in physikalischer Hinsicht das Gleichgewicht halten, wenn sie auf ihren Brettern stehen?

Trinastic: Drehmoment ist der Schlüssel zum Verständnis, wie Surfer die Kontrolle behalten. Wie ich bereits erwähnt habe, ist das Wasser unter dem Surfbrett ständig wellig, was zusätzliche variierende und unvorhersehbare hydrodynamische Kräfte erzeugt, die auf alle Teile des Boards wirken. Wenn sich der Surfer in der Mitte des Brettes befindet, zieht ihn die Schwerkraft von seinem Massenmittelpunkt herunter. Wenn das Surfbrett direkt horizontal ist, wirkt die Auftriebskraft in der Mitte des Brettes nach oben. Mit anderen Worten, Schwerkraft und Auftrieb wirken am selben Ort in entgegengesetzte Richtungen. Nehmen wir an, ein Wasserstoß drückt plötzlich die Rückseite des Brettes hoch, weit weg von der Mitte. Diese Kraft aus dem Wasser bewirkt, dass sich das Board drehen möchte und droht, den Surfer ins Wasser zu werfen. Jede Kraft, die eine Tendenz erzeugt, sich so zu drehen, wird als Drehmoment bezeichnet.

Ein Surfer kämpft ständig mit angreifenden und flüchtigen Drehmomenten, weil die chaotische Bewegung der Wellen das Surfbrett von allen Seiten drückt. Um diesen entgegenzuwirken, muss der Surfer lernen, sein Gewicht in bestimmte Richtungen und Orte zu bringen, um Drehmoment in die entgegengesetzte Richtung wie die der Wellen zu erzeugen, um (im Allgemeinen) die Rotationskräfte aufzuheben und zu vermeiden, ein Gesicht voller Wasser zu bekommen.

Science Connected: Was passiert, wenn ein Surfer in der Nähe der Vorder- oder Rückseite des Boards steht?

Trinastic: Bisher habe ich nur eine Surferin beschrieben, die in der Mitte des Boards steht, wobei ihr Massenschwerpunkt direkt nach unten zeigt, im Gegensatz zu der aufwärts treibenden Kraft, die auf ein horizontales Board wirkt. Die Dinge werden komplizierter, wenn sich die Person von der Mitte entfernt, Dies ist jedoch entscheidend für das Bremsen und Einstellen der Geschwindigkeit. Sobald sich die Surferin zum Beispiel nach hinten bewegt, verschiebt sich ihre Gravitationskraft nun vom Zentrum weg und zeigt von der Rückenkante nach unten. Diese Verschiebung der Kraftposition erzeugt ein Drehmoment und dreht die Rückseite des Brettes ins Wasser. Wenn dies geschieht, ist jetzt mehr von der Rückseite des Boards untergetaucht, was die Stärke der Auftriebskraft vollständig ändert und sie zurück in den neu untergetauchten Teil des Boards verschiebt. Diese Nachjustierung wird fortgesetzt, bis sich die Schwerkraft und die Auftriebskraft im Allgemeinen ausgleichen, das Drehmoment entfernen, aber jetzt eine neue Form des Gleichgewichts hinterlassen — mit dem hinteren Ende des Bretts unter Wasser und dem vorderen Teil aus dem Wasser. Dieses Setup ist hilfreich beim Bremsen, da das Board jetzt senkrecht ins Wasser eintaucht, was den Widerstand gegen den Wasserfluss erhöht. Denken Sie daran, Ihre Hand senkrecht zum Wasserfluss in einen Fluss zu tauchen. Sie haben wahrscheinlich gespürt, wie das Wasser an die Seiten Ihrer Hand abgelenkt wurde. Der gleiche Effekt passiert mit dem hinteren Ende des Surfbretts und hilft, den Surfer zu verlangsamen.

Die gleiche Idee kann angewendet werden, wenn sich der Surfer nach vorne bewegt. In diesem Fall verschiebt sich die Auftriebskraft nach vorne, um die Schwerkraft an der Vorderkante auszugleichen. Ähnliche Prinzipien würden das Drehen ermöglichen, indem das Gewicht auf die linke oder rechte Seite des Bretts verlagert wird.

Science Connected: Was ist eine Welle? Welche Kräfte erzeugen Wellen im Wasser? Und was beeinflusst die Geschwindigkeit dieser Wellen?

Trinastisch: Eine Welle kann ein sehr schwer zu definierendes Phänomen sein, da sie eine Bewegung durch ein Material beschreibt, nicht das Material selbst. Stellen Sie sich eine Schnur vor, die an einer Wand befestigt ist. Die Saite ist keine Welle, aber eine Welle entsteht, wenn ich das andere Ende des Seils in einem konsistenten Muster auf und ab schwinge. Die Energie, mit der ich meinen Arm schwinge, wird auf das Seil übertragen und überträgt eine Welle von meiner Hand zur Wand und zurück zu mir. Daher enthält die Welle Energie, die durch ein Material, in diesem Fall das Seil, übertragen wird.

Das gleiche gilt für Wellen im Ozean. Hochgeschwindigkeitswind reibt im Wesentlichen an der Wasseroberfläche. Diese Reibung überträgt Energie von den sich schnell bewegenden Luftmolekülen auf die Wassermoleküle. Die Größe der Welle wird von vielen Faktoren bestimmt, einschließlich der Windgeschwindigkeit und des „Fetch“ oder der Fläche, über die der Wind weht. Mit zunehmender Fläche kann mehr Energie vom Wind auf das Wasser übertragen werden, wodurch ein viel größerer Wellenkamm entsteht.

Der Hauptpunkt hier ist, dass eine Welle eine Form der Energieübertragung ist. Der Ozean ist in diesem Fall das Übertragungsmedium, und Wasserwellen entstehen durch die Übertragung von Energie vom Wind, der über die Oberfläche weht.

Science Connected: Wie fängt ein Surfer eine Welle?

Trinastic: Beginnen wir mit einer Welle, die auf eine Surferin zukommt, die auf ihrem Brett liegt. Der Surfer paddelt auf die Welle zu, um an Geschwindigkeit zu gewinnen. Dies ist nur Newtons drittes Gesetz, das besagt, dass die Kraft des Surfers, die das Wasser zurückdrückt, eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion erzeugt, um den Surfer zur Welle zu drücken.

Gerade als der Surfer auf den Grund der Welle trifft, sollte er spüren, wie sich das Wasser vorwärts und nach oben bewegt. Diese hydrodynamische Kraft wird sie nach vorne schieben und ihr Geschwindigkeit geben, wenn sie zu einer niedrigen Hocke springt, um der Welle zu folgen. Zusätzlich zu der hydrodynamischen Hauptkraft, die sie jetzt nach oben und vorne drückt, Viele kleinere Kräfte aus winzigen Verschiebungen des Wasserflusses erfordern, dass der Surfer sein Gewicht ständig neu einstellt, um das Gleichgewicht zu halten.

Sie reitet auf der Welle! Aber jetzt wird der Wellenkamm immer höher steigen, je näher er sich dem Ufer nähert, wodurch mehr hydrodynamische Kräfte entstehen, die den Surfer seitwärts drücken wollen. Wenn der Surfer zu hoch auf der Welle reitet, können diese horizontalen Kräfte vom Kamm sie umstoßen. Wenn sie andererseits zu konservativ ist und zu niedrig bleibt, verliert sie die Geschwindigkeit, die ihr durch die gesamte Energie verliehen wird, die sich in der Welle angesammelt hat. Die Fähigkeit beim Surfen besteht also darin, die perfekte Linie zwischen Balance und Geschwindigkeit zu fahren. Trotz dieser Bedrohung ist es möglich, für kurze Zeit höher in einer Welle zu fahren, indem man die Zentripetalkraft nutzt, ähnlich wie bei einem Skateboarder auf einer Halfpipe, wie ich es in diesem vorherigen Beitrag besprochen habe.

Wenn sich die Welle zu drehen beginnt, muss der Surfer sein Gewicht auch auf die linke oder rechte Seite des Bretts legen, um ein Drehmoment aufzubringen, und das Brett vorsichtig drehen, um seinen Weg entlang der Welle beizubehalten.

Es ist unglaublich, über diesen ganzen Prozess im Zusammenhang mit Schwerkraft und Auftrieb nachzudenken, über den ich zuvor gesprochen habe! Der Auftrieb wirkt durch diesen Prozess auf das Board, da die Schwerkraft ständig versucht, den Surfer ins Wasser zu ziehen. Es sind wirklich die hydrodynamischen Kräfte der Welle, die mit der Auftriebskraft zusammenwirken, zusammen mit der Erhaltung des Impulses, um den Surfer auf Trab zu halten.

RELATED: WISSENSCHAFT DES SCHWAPPENS: WARUM SCHAUM WICHTIG IST

Science Connected: Wie unterscheiden sich kurze Boards im Kontext des Surfens physikalisch von langen Boards?

Trinastic: Kurze Bretter lassen sich im Wasser viel leichter drehen als lange Bretter. Dieser Unterschied ist auf ein physikalisches Konzept zurückzuführen, das als Trägheitsmoment bekannt ist. Trägheit beschreibt, wie schwierig es ist, die Bewegungen von etwas zu ändern, sobald es sich zu bewegen begonnen hat. Lange Bretter haben viel mehr Masse weit weg von der Drehachse des Brettes, und dies erzeugt viel mehr Trägheit, um einer Richtungsänderung zu widerstehen, die ein Surfer zu machen versucht.

Obwohl lange Bretter möglicherweise nicht so flink sind, erreichen sie höhere Geschwindigkeiten als kurze Bretter, hauptsächlich weil ihre größere Oberfläche mehr Fläche für Wasser bietet, um den Surfer mitzunehmen.

Ausgewähltes Bild: US Open des Surfens am Huntington Beach von Verse Photography.

Edwards, A. (2012). Die Technik hinter dem Surfen. Illumin, 18(1).