Les surfeurs semblent danser sur les vagues de l’océan, mais qu’est-ce qui les maintient à flot ou en mouvement? Explorons la physique en jeu dans le surf.

Par Jonathan Trinastic

Les surfeurs qui attrapent la vague parfaite comptent sur des années d’expérience et une intuition apprise pour naviguer dans un tunnel d’eau en crête. Mais le surf peut également être considéré comme le menuet constant d’un surfeur avec des dizaines de forces changeantes qui menacent de faire tomber même les plus experts dans les vagues qui s’écrasent. Explorons les forces les plus importantes en jeu pour comprendre cette danse unique avec l’eau que tant de gens aiment.

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La Physique du Surf

Science Connectée: Lorsque les surfeurs attendent la bonne vague, ils peuvent laisser passer d’autres vagues sous eux. Quelles sont les forces en jeu ?

Dr. Jonathan Trinastic: Le surf englobe de nombreux principes physiques – gravité, flottabilité, couple et vagues. Nous aborderons la physique des vagues un peu plus tard, mais penser à quelqu’un debout sur une planche de surf est une excellente occasion d’introduire les trois premiers concepts et comment ils affectent la capacité d’un surfeur à contrôler la planche.

Imaginez un surfeur debout au centre direct de la planche de surf. Deux forces majeures sont en jeu: la gravité, qui tire le surfeur et la planche vers le bas, et la force flottante, qui pousse la planche de surf flottante vers le haut dans la direction opposée. Nous connaissons tous la force de gravité qui nous maintient au sol. L’idée la plus importante sur la gravité, dans ce cas, est qu’elle est plus forte lorsqu’elle agit sur quelque chose avec plus de masse.

La flottabilité, en revanche, n’est pas aussi intuitive. Pensez au canard en caoutchouc avec lequel vous avez peut-être joué quand vous étiez enfant, flottant dans la baignoire. Lorsque nous plaçons le canard dans l’eau, il s’immerge partiellement mais ne coule pas complètement au fond. Pourquoi ça ? Lorsque le canard commence à couler, il ressent plus de pression vers le haut de l’eau plus profonde de la baignoire. Étant donné que le canard est fait d’un matériau léger et de faible densité, cette pression ascendante finit par maîtriser la gravité et empêche le canard de s’enfoncer. Des objets plus denses comme une boule de médecine ou des poids couleraient au fond parce que la force de gravité sur elle est beaucoup plus forte que la force de flottabilité ascendante de l’eau.

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Cette même logique s’applique aux planches de surf. La planche de surf légère est conçue de manière très spécifique, de sorte que la force de flottabilité ascendante agissant sur elle est supérieure à la force de gravité agissant vers le bas, ce qui lui permet de flotter. Maintenant, ajoutez le surfeur au-dessus du centre de la planche. Si le surfeur est à l’arrêt, la force de gravité agissant sur elle pour la tirer vers le bas surmontera probablement la force de flottabilité sur la planche, et le surfeur et la planche vont couler. Cependant, comme un surfeur attend la bonne vague, elle se déplace probablement dans l’eau et les vagues montent et tombent continuellement sous elle. L’eau se déplaçant à travers le bas de la planche crée de nombreuses forces ascendantes supplémentaires (appelées forces hydrodynamiques) qui maintiennent le surfeur à flot plutôt que de tomber dans l’eau. Il y a beaucoup d’autres principes physiques intéressants à l’œuvre ici, comme la conservation de l’élan, qui aident également à empêcher les surfeurs de s’enfoncer dans l’océan.

Science Connected: En termes de physique, comment les surfeurs peuvent-ils maintenir l’équilibre lorsqu’ils se tiennent debout sur leurs planches?

Trinastic: Le couple est la clé pour comprendre comment les surfeurs gardent le contrôle. Comme je l’ai mentionné précédemment, l’eau est constamment ondulée sous la planche de surf, ce qui crée des forces hydrodynamiques variables et imprévisibles supplémentaires agissant sur toutes les parties de la planche. Si le surfeur est au centre de la planche, la gravité la tire de son centre de masse. De même, si la planche de surf est directement horizontale, la force de flottabilité agit vers le haut au centre de la planche. En d’autres termes, la gravité et la flottabilité agissent dans des directions opposées au même endroit. Maintenant, disons qu’un jet d’eau pousse soudainement l’arrière de la planche, loin du centre. Cette force de l’eau provoque la rotation de la planche, menaçant de jeter le surfeur à l’eau. Toute force qui crée une tendance à tourner comme ça est connue sous le nom de couple.

Un surfeur est constamment aux prises avec des couples offensifs et fugaces à cause du mouvement chaotique des vagues poussant la planche de surf de tous les côtés. Pour les contrer, le surfeur doit apprendre à appliquer son poids dans des directions et des endroits particuliers pour créer un couple dans le sens opposé à celui des vagues, pour (généralement) annuler les forces de rotation et éviter d’avoir la face pleine d’eau.

Science Connected: Que se passe-t-il lorsqu’un surfeur se tient près de l’avant ou de l’arrière de la planche?

Trinastique : Jusqu’à présent, je n’ai décrit qu’une surfeuse se tenant au centre de la planche, auquel cas son centre de masse pointe directement vers le bas, en opposition à la force de flottaison ascendante agissant sur une planche horizontale. Les choses deviennent plus compliquées lorsque la personne s’éloigne du centre, mais cela est essentiel pour le freinage et le réglage de la vitesse. Dès que le surfeur se déplace vers l’arrière, par exemple, sa force gravitationnelle s’éloigne maintenant du centre et pointe vers le bas depuis le bord arrière. Ce déplacement de l’emplacement de la force crée un couple et fait tourner l’arrière de la planche dans l’eau. Au fur et à mesure que cela se produit, une plus grande partie de l’arrière de la planche est maintenant submergée, ce qui modifie complètement la force de flottabilité et la ramène à la partie nouvellement immergée de la planche. Ce réajustement se poursuit jusqu’à ce que la force gravitationnelle et la force de flottabilité s’équilibrent généralement, supprimant le couple mais laissant maintenant une nouvelle forme d’équilibre — avec l’extrémité arrière de la planche immergée et la partie avant hors de l’eau. Cette configuration est utile pour le freinage, car la planche plonge maintenant verticalement dans l’eau, ce qui augmente la résistance au débit d’eau. Pensez à plonger votre main dans une rivière perpendiculaire à l’écoulement de l’eau. Vous avez probablement senti l’eau déviée sur les côtés de votre main. Le même effet se produit avec l’extrémité arrière de la planche de surf et aide à ralentir le surfeur.

La même idée peut être appliquée si le surfeur se déplace vers l’avant de la planche. Dans ce cas, la force de flottabilité se déplacera vers l’avant pour équilibrer la force gravitationnelle au bord avant. Des principes similaires permettraient de tourner en déplaçant le poids vers le côté gauche ou droit de la planche.

Science connectée : Qu’est-ce qu’une vague ? Quelles forces créent des vagues dans l’eau? Et qu’est-ce qui influence la vitesse de ces vagues?

Trinastique: Une onde peut être un phénomène très difficile à définir car elle décrit un mouvement à travers un matériau, pas le matériau lui-même. Pensez à une ficelle attachée à un mur. La corde n’est pas une vague, mais une vague est créée si je balance l’autre extrémité de la corde de haut en bas dans un motif cohérent. L’énergie que j’utilise pour balancer mon bras est transférée à la corde et transmet une vague de ma main au mur et vers moi. Par conséquent, l’onde contient de l’énergie qui est transmise à travers un matériau, dans ce cas, la corde.

Il en va de même pour les vagues dans l’océan. Le vent à grande vitesse frotte essentiellement contre la surface de l’eau. Ce frottement transfère l’énergie des molécules d’air en mouvement rapide aux molécules d’eau. La taille de la vague est déterminée par de nombreux facteurs, y compris la vitesse du vent et le « fetch », ou la zone sur laquelle le vent souffle. À mesure que cette zone augmente, plus d’énergie peut être transférée du vent à l’eau, créant une crête de vague beaucoup plus grande.

Le point majeur ici est qu’une onde est une forme de transmission d’énergie. L’océan est le moyen de transmission dans ce cas, et les vagues d’eau sont créées à la suite du transfert d’énergie du vent soufflant à la surface.

Science Connected : Comment un surfeur attrape-t-il une vague?

Trinastic : Commençons par une vague qui arrive vers un surfeur allongé sur sa planche. Le surfeur commence à pagayer vers la vague pour prendre de la vitesse. Ce n’est que la troisième loi de Newton, qui dit que la force du surfeur repoussant l’eau créera une réaction égale et opposée pour pousser le surfeur vers la vague.

Au moment où la surfeuse touche le fond de la vague, elle devrait commencer à sentir l’eau pousser vers l’avant et vers le haut. Cette force hydrodynamique la poussera vers l’avant, lui donnant de la vitesse alors qu’elle saute à un bas accroupi pour suivre la vague. En plus de la force hydrodynamique principale qui la pousse maintenant vers le haut et vers l’avant, de nombreuses forces plus petites provenant de changements minutieux du débit d’eau obligeront le surfeur à réajuster constamment son poids pour maintenir son équilibre.

Elle surfe sur la vague ! Mais maintenant, la crête de la vague continuera de monter de plus en plus haut à mesure qu’elle se rapprochera du rivage, créant plus de forces hydrodynamiques qui voudront pousser le surfeur sur le côté. Si le surfeur monte trop haut sur la vague, ces forces horizontales de la crête peuvent la pousser. Par contre, si elle est trop conservatrice et reste trop basse, elle perdra la vitesse qui lui est conférée par toute l’énergie accumulée dans la vague. La compétence en surf est donc de parcourir cette ligne parfaite entre équilibre et vitesse. Malgré cette menace, il est possible de monter plus haut dans une vague pendant un court laps de temps en tirant parti de la force centripète, d’une manière très similaire à un skateur sur une halfpipe comme je l’ai discuté dans ce post précédent.

De plus, si la vague commence à tourner, le surfeur devra également appliquer son poids sur le côté gauche ou droit de la planche pour appliquer un couple et tourner doucement la planche pour maintenir également sa trajectoire le long de la vague.

C’est incroyable de penser à tout ce processus dans le contexte de la gravité et de la flottabilité dont j’ai parlé plus tôt! La flottabilité agit sur la planche à travers ce processus, car la gravité essaie constamment de tirer le surfeur dans l’eau. Ce sont vraiment les forces hydrodynamiques de la vague qui travaillent avec la force flottante, ainsi que la conservation de l’élan, pour aider le surfeur à rester debout.

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Science Connectée: En termes de physique, en quoi les planches courtes diffèrent-elles des planches longues dans le contexte du surf?

Trinastic: Les planches courtes seront beaucoup plus faciles à tourner dans l’eau par rapport aux planches longues. Cette différence est due à un concept physique connu sous le nom de moment d’inertie. L’inertie décrit à quel point il est difficile de changer les mouvements de quelque chose une fois qu’il a commencé à bouger. Les planches longues ont beaucoup plus de masse loin de l’axe de rotation de la planche, ce qui crée beaucoup plus d’inertie pour résister à un changement de direction qu’un surfeur essaie de faire.

Bien que les planches longues ne soient pas aussi agiles, elles atteignent des vitesses plus élevées que les planches courtes, principalement parce que leur surface plus grande offre plus de surface à l’eau pour pousser le surfeur.

Image en vedette: US Open de surf à Huntington Beach par Verse Photography.

Edwards, A. (2012). L’ingénierie derrière le surf. Illumin, 18(1).