surffarit näyttävät tanssivan meren aalloilla, mutta mikä pitää ne pinnalla tai liikkeessä? Tutkitaanpa fysiikkaa lainelautailussa.

Jonathan Trinastic

täydellisen aallon nappaavat Lainelautailijat turvautuvat vuosien kokemukseen ja opittuun intuitioon navigoidessaan veden uurteisen tunnelin läpi. Lainelautailun voi kuitenkin nähdä myös surffarin jatkuvana minuettina, jossa on kymmeniä vaihtuvia voimia, jotka uhkaavat tömäyttää taitavimmankin rysähteleviin aaltoihin. Tutkitaan tärkeimmät voimat pelissä ymmärtää tätä ainutlaatuista tanssia vedellä, että niin monet rakastavat.

RELATED: SCIENCE of SKATEBOARDING: HALF-PIPE PHYSICS

the Physics of Surfing

Science Connected: when surfers wait for the right wave, they can let other waves ohitse their. Mitkä voimat ovat pelissä?

Tri Jonathan Trinastic: Lainelautailuun sisältyy monia fyysisiä periaatteita: painovoima, kelluvuus, vääntömomentti ja aallot. Siirrymme aaltofysiikkaan hieman myöhemmin, mutta surffilaudalla seisovan miettiminen on loistava tilaisuus esitellä kolme ensimmäistä konseptia ja miten ne vaikuttavat surffaajan kykyyn hallita lautaa.

Kuvittele surffaaja seisomassa suoraan surffilaudan keskellä. Pelissä on kaksi suurta voimaa: painovoima, joka vetää surffaajaa ja lautaa alas, ja kelluva voima, joka itse asiassa työntää kelluvaa surffilautaa ylöspäin vastakkaiseen suuntaan. Tiedämme kaikki, että painovoima pitää meidät maassa. Tärkein ajatus painovoimasta, tässä tapauksessa, on, että se on vahvempi, kun se vaikuttaa johonkin, jolla on enemmän massaa.

kelluvuus sen sijaan ei ole yhtä intuitiivista. Ajattele sitä kumiankaa, jonka kanssa leikit lapsena ja joka kellui kylpyammeessa. Kun laskemme Sorsan veteen, se osittain vajoaa, mutta ei uppoa pohjaan asti. Miksi? Kun Sorsa alkaa vajota, se tuntee enemmän nousupainetta syvemmästä vedestä ammeessa. Koska ankka on valmistettu kevyestä, matalatiheyksisestä materiaalista, tämä nousupaine lopulta nujertaa painovoiman ja estää ankkaa uppoamasta. Tiheämmät esineet, kuten lääkekuula tai painot, painuisivat pohjaan, koska siihen kohdistuva painovoima on paljon voimakkaampi kuin vedestä nouseva ylöspäin kelluva voima.

aiheeseen liittyvää: LAINELAUTAILIJAT poimivat löysän veden tarkkailuun

tämä sama logiikka pätee lainelautoihin. Kevyt lainelauta on suunniteltu hyvin erityisellä tavalla siten, että siihen vaikuttava ylöspäin kelluva voima on suurempi kuin alas vaikuttava painovoima, jolloin se kelluu. Lisää surffaaja laudan keskelle. Jos surffaaja on liikkumaton, häneen vaikuttava painovoima vetää hänet alas todennäköisesti voittaa laudassa olevan kelluvan voiman, ja surffaaja ja lauta uppoavat. Lainelautailijan odottaessa oikeaa aaltoa hän kuitenkin todennäköisesti liikkuu vedessä, ja aallot nousevat ja laskevat jatkuvasti hänen allaan. Laudan pohjan poikki liikkuva vesi luo monia muita ylöspäin suuntautuvia voimia (joita kutsutaan hydrodynaamisiksi voimiksi), jotka pitävät surffaajan pinnalla sen sijaan, että se syöksyisi veteen. On olemassa paljon muita mielenkiintoisia fyysisiä periaatteita työssä täällä, kuten säilyttäminen vauhtia, jotka auttavat myös estämään surffaajia uppoamasta mereen.

tiede yhdistää: fysiikan termein, miten surffaajat voivat säilyttää tasapainon, kun he seisovat lautojensa päällä?

Trinastic: vääntömomentti on avain siihen, miten surffaajat säilyttävät kontrollin. Kuten aiemmin mainitsin, vesi aaltoilee jatkuvasti lainelaudan alla, mikä luo lisää vaihtelevia ja arvaamattomia hydrodynaamisia voimia, jotka vaikuttavat kaikkiin laudan osiin. Jos surffaaja on laudan keskellä, painovoima vetää hänet alas massakeskipisteestään. Vastaavasti jos surffilauta on suoraan vaakasuorassa, kelluva voima vaikuttaa ylöspäin laudan keskellä. Toisin sanoen painovoima ja kelluvuus vaikuttavat vastakkaisiin suuntiin samassa paikassa. Sanotaan, että vesiruuhka työntää yhtäkkiä laudan takaosaa, kaukana keskustasta. Tämä vedestä tuleva voima saa laudan haluamaan pyöriä ja uhkaa heittää surffarin veteen. Mikä tahansa voima, joka aiheuttaa taipumuksen pyörähtää näin, tunnetaan vääntömomenttina.

surffaaja taistelee jatkuvasti hyökkääviä ja ohikiitäviä vääntöjä vastaan, koska aallot työntävät lainelautaa joka puolelta. Näiden vastapainoksi lainelautailijan on opittava soveltamaan painoaan tiettyihin suuntiin ja paikkoihin luodakseen vääntöä vastakkaiseen suuntaan kuin aalloissa, kumotakseen (yleensä) pyörimisvoimat ja välttääkseen kasvot täynnä vettä.

Science Connected: mitä tapahtuu, kun surffaaja seisoo lähellä laudan etu-tai takaosaa?

Trinastinen: tähän mennessä olen kuvannut vain surffarin seisovan laudan keskellä, jolloin hänen massakeskipisteensä osoittaa suoraan alaspäin, vastakohtana vaakasuoralle laudalle vaikuttavalle ylöspäin kelluvalle voimalle. Asiat mutkistuvat, kun henkilö siirtyy pois keskustasta, mutta tämä on kriittistä jarrutuksen ja nopeuden säätämisen kannalta. Heti kun surffaaja siirtyy esimerkiksi taakse, hänen painovoimansa siirtyy nyt poispäin keskustasta ja osoittaa takareunasta alaspäin. Tämä voiman sijainnin muutos luo vääntömomentin ja pyörittää laudan takaosan veteen. Koska tämä tapahtuu, enemmän takana hallituksen on nyt upoksissa, mikä muuttaa täysin vahvuus kelluvuusvoiman ja siirtää sen takaisin äskettäin uponnut osa hallituksen. Tämä uudelleenjärjestely jatkuu, kunnes gravitaatiovoima ja kelluva voima yleensä tasapainottuvat, poistaen vääntömomentin, mutta jättäen nyt uudenlaisen tasapainon—levyn takapään upotessa ja etuosan pois vedestä. Tämä asetus on hyödyllinen jarrutus, koska hallitus on nyt upottaa pystysuoraan veteen, mikä lisää vastusta veden virtausta. Mieti, miten kastat kätesi jokeen, joka on kohtisuorassa veden virtaukseen nähden. Tunsit luultavasti veden taipuvan kätesi sivuille. Sama vaikutus tapahtuu surffilaudan takapäässä ja auttaa hidastamaan surffaajaa.

samaa ideaa voi soveltaa, jos surffaaja siirtyy laudan eteen. Tällöin kelluvuusvoima siirtyy eteenpäin tasapainottamaan etureunan painovoimaa. Samanlaiset periaatteet mahdollistaisivat kääntymisen siirtämällä painoa laudan vasemmalle tai oikealle puolelle.

tiede yhdistetty: mikä on Aalto? Mitkä voimat luovat aaltoja vedessä? Ja mikä vaikuttaa näiden aaltojen nopeuteen?

Trinastinen: aalto voi olla hyvin vaikea ilmiö määritellä, koska se kuvaa liikettä materiaalin, ei itse materiaalin kautta. Ajattele narua, joka on kiinnitetty seinään. Naru ei ole aalto, vaan aalto syntyy, jos heilautan köyden toista päätä ylös ja alas johdonmukaisella kuviolla. Energia, jolla heilautan kättäni, siirtyy köyteen ja lähettää aallon kädestäni seinään ja takaisin minuun. Siksi aalto sisältää energiaa, joka välittyy materiaalin, tässä tapauksessa köyden, kautta.

sama pätee valtameren aaltoihin. Kovavauhtinen tuuli hankaa olennaisesti veden pintaa vasten. Tämä kitka siirtää energiaa nopeasti liikkuvista ilmamolekyyleistä vesimolekyyleihin. Aallon kokoon vaikuttavat monet tekijät, kuten tuulen nopeus ja” nouto ” eli pinta-ala, jonka yli tuuli puhaltaa. Kun tämä alue kasvaa, tuulesta voi siirtyä enemmän energiaa veteen, jolloin syntyy paljon suurempi aallonharja.

pääasia tässä on, että Aalto on energian siirtomuoto. Valtameri on tässä tapauksessa lähettävä väliaine, ja vesiaallot syntyvät, kun energia siirtyy pinnan yli puhaltavasta tuulesta.

tiede yhdistetty: miten surffaaja nappaa aallon?

Trinastic: aloitetaan aallosta, joka tulee kohti laudallaan makaavaa surffaria. Surffaaja alkaa meloa kohti aaltoa saadakseen vauhtia. Tämä on vasta Newtonin kolmas laki, jonka mukaan lainelautailijan vettä takaisin työntävä voima saa aikaan tasa-arvoisen ja vastakkaisen reaktion, joka työntää lainelautailijaa kohti aaltoa.

juuri kun surffaaja osuu aallonpohjaan, hänen pitäisi alkaa tuntea veden työntyvän eteenpäin ja ylöspäin. Tämä hydrodynaaminen voima työntää häntä eteenpäin, mikä antaa hänelle nopeutta, kun hän hyppää matalaan kyyryyn seuraamaan aaltoa. Sen lisäksi, että hydrodynaaminen voima nyt työntää häntä ylös ja eteenpäin, monet pienehköt voimat veden virtauksen pienistä muutoksista vaativat surffaajaa jatkuvasti muuttamaan painoaan tasapainon säilyttämiseksi.

hän ratsastaa aallolla! Mutta nyt aallonharja nousee yhä korkeammalle, kun se liikkuu lähemmäs rantaa, luoden lisää hydrodynaamisia voimia, jotka haluavat työntää surffaajaa sivuttain. Jos surffaaja ratsastaa liian korkealla aallokossa, nämä vaakatasossa olevat voimat voivat työntää hänet yli. Toisaalta, jos hän on liian konservatiivinen ja pysyy liian matalana, hän menettää kaiken aaltoon kertyneen energian tuoman nopeuden. Lainelautailussa on siis taito ratsastaa tuolla täydellisellä tasapainon ja nopeuden välisellä viivalla. Tästä uhasta huolimatta on mahdollista ratsastaa korkeammalle aallossa lyhyen aikaa hyödyntämällä keskihakuvoimaa, tavalla, joka on hyvin samanlainen kuin rullalautailija halfpipe kuten keskustelin tässä edellisessä viestissä.

myös, jos aalto alkaa kääntyä, lainelautailijan on myös kohdistettava painonsa laudan vasemmalle tai oikealle puolelle vääntömomentin kohdistamiseksi ja käännettävä lautaa varovasti, jotta se pysyy myös aaltoa pitkin.

on uskomatonta ajatella tätä koko prosessia siinä painovoiman ja kelluvuuden kontekstissa, josta puhuin aiemmin! Kelluvuus temppuilee laudalla tämän prosessin kautta, sillä painovoima yrittää koko ajan vetää surffaajaa veteen. Aallon hydrodynaamiset voimat toimivat kelluvan voiman ja liikemäärän säilymisen kanssa, jotta surffaaja pysyisi pystyssä.

RELATED: SCIENCE OF SLOSHING: WHY FOAM IS IMPORTANT

Science Connected: in physics terms, how do short boards different to long boards in the context of surfing?

Trinastinen: lyhyitä lautoja on paljon helpompi kääntää vedessä verrattuna pitkiin lautoihin. Tämä ero johtuu fysikaalisesta käsitteestä, joka tunnetaan hitausmomenttina. Inertia kuvaa, kuinka vaikeaa on muuttaa jonkin liikkeitä, kun se on lähtenyt liikkeelle. Pitkissä laudoissa on paljon enemmän massaa kaukana laudan pyörimisakselista, ja tämä luo paljon enemmän inertiaa vastustamaan suunnanmuutosta, jota surffaaja yrittää tehdä.

vaikka pitkät Laudat eivät välttämättä ole yhtä ketteriä, ne saavuttavat suurempia nopeuksia kuin lyhyet Laudat, lähinnä siksi, että niiden suurempi pinta antaa enemmän tilaa vedelle, joka työntää surffaajaa eteenpäin.

Featured image: US Open of Surfing at Huntington Beach by Verse Photography.

Edwards, A. (2012). Surffauksen takana oleva tekniikka. Illumin, 18(1).