úgy tűnik, hogy a szörfösök táncolnak az óceán hullámain, de mi tartja őket felszínen vagy mozgásban? Fedezzük fel a szörfözés során játszott fizikát.

írta: Jonathan Trinastic

a tökéletes hullámot elkapó szörfösök több éves tapasztalatra és megtanult intuícióra támaszkodnak, hogy át tudjanak navigálni egy vízcsatornán. De a szörfözés a szörfös állandó menüettjének is tekinthető, több tucat változó erővel, amelyek azzal fenyegetnek, hogy még a legszakértőbbet is bedobják az összeomló hullámokba. Fedezzük fel a legfontosabb erőket, hogy megértsük ezt az egyedülálló táncot vízzel, amelyet oly sokan szeretnek.

RELATED: a gördeszka tudománya: félcső fizika

a szörfözés fizikája

tudomány csatlakoztatva: amikor a szörfösök várják a megfelelő hullámot, hagyhatják, hogy más hullámok áthaladjanak alatta. Milyen erők játszanak?

Dr. Jonathan Trinastic: A szörfözés számos fizikai alapelvet foglal magában—a gravitációt, a felhajtóerőt, a nyomatékot és a hullámokat. Kicsit később foglalkozunk a hullámfizikával, de arra gondolni, hogy valaki egy szörfdeszkán áll, nagyszerű lehetőség az első három fogalom bemutatására, és arra, hogy ezek hogyan befolyásolják a szörfös képességét a tábla irányítására.

Képzeljen el egy szörföst, aki a szörfdeszka közvetlen közepén áll. Két nagy erő játszik: a gravitáció, ami lehúzza a szörföst és a deszkát, és a felhajtóerő, ami valójában az ellenkező irányba tolja fel az úszó szörfdeszkát. Mindannyian ismerjük a gravitációs erőt, amely a földön tart minket. A gravitáció legfontosabb gondolata ebben az esetben az, hogy erősebb, ha valami nagyobb tömegű dologra hat.

a felhajtóerő viszont nem olyan intuitív. Gondolj a gumikacsára, akivel gyerekként játszottál, lebeg a fürdőkádban. Amikor a kacsát a vízbe helyezzük, részben elmerül, de nem süllyed egészen az aljáig. Miért is? Amint a kacsa süllyedni kezd, nagyobb nyomást érez a kád mélyebb vizéből. Mivel a kacsa könnyű, kis sűrűségű anyagból készül, ez a felfelé irányuló nyomás végül legyőzi a gravitációt, és megakadályozza a kacsa süllyedését. A sűrűbb tárgyak, például a gyógyszergolyó vagy a súlyok az aljára süllyednének, mert a gravitációs erő sokkal erősebb, mint a víz felfelé irányuló felhajtóereje.

RELATED: a szörfösök felveszik a laza vizet

ugyanez a logika vonatkozik a szörfdeszkákra is. A könnyű szörfdeszkát nagyon sajátos módon tervezték, úgy, hogy a rá ható felfelé irányuló felhajtóerő nagyobb, mint a lefelé ható gravitációs erő, lehetővé téve az úszást. Most adja hozzá a szörfösöt a tábla közepének tetejére. Ha a szörfös álló helyzetben van, a rá ható gravitációs erő, amely lehúzza, valószínűleg legyőzi a deszkán lévő felhajtóerőt, és a szörfös és a deszka elsüllyed. Mivel azonban a szörfös a megfelelő hullámra vár, valószínűleg áthalad a vízen, és a hullámok folyamatosan emelkednek és alá esnek. A deszka alján áthaladó víz számos további felfelé irányuló erőt (úgynevezett hidrodinamikai erőket) hoz létre, amelyek a szörföst a felszínen tartják, nem pedig a vízbe zuhannak. Sok más érdekes fizikai elv működik itt, mint például a lendület megőrzése, amelyek szintén segítenek megakadályozni, hogy a szörfösök az óceánba süllyedjenek.

tudomány csatlakoztatva: a fizika szempontjából, hogyan tudják a szörfösök fenntartani az egyensúlyt, amikor felállnak a deszkájuk tetején?

Trinastic: a nyomaték a kulcs annak megértéséhez, hogy a szörfösök hogyan tartják fenn az irányítást. Ahogy korábban említettem, a víz folyamatosan hullámzik a szörfdeszka alatt, ami további változó és kiszámíthatatlan hidrodinamikai erőket hoz létre, amelyek a tábla minden részén hatnak. Ha a szörfös a tábla közepén van, akkor a gravitáció lehúzza a tömegközéppontjáról. Hasonlóképpen, ha a szörfdeszka közvetlenül vízszintes, akkor a felhajtóerő felfelé hat a deszka közepén. Más szavakkal, a gravitáció és a felhajtóerő ugyanazon a helyen ellentétes irányban hatnak. Most tegyük fel, hogy a víz rohanása hirtelen felfelé tolja a deszka hátulját, messze a központtól. A vízből származó erő miatt a deszka el akar forogni, azzal fenyegetve, hogy a szörföst a vízbe dobja. Minden olyan erő, amely hajlamos az ilyen forgásra, nyomatéknak nevezik.

a szörfös folyamatosan küzd támadó és röpke nyomatékokkal, mert a hullámok kaotikus mozgása minden oldalról nyomja a szörfdeszkát. Ezek ellensúlyozására a szörfösnek meg kell tanulnia súlyát bizonyos irányokban és helyeken alkalmazni, hogy a hullámokkal ellentétes irányú nyomatékot hozzon létre, hogy (általában) megszüntesse a forgási erőket, és elkerülje, hogy vízzel teli arc legyen.

Science Connected: mi történik, ha egy szörfös áll a tábla elején vagy hátulján?

Trinastic: eddig csak egy szörföst írtam le, aki a tábla közepén áll, ebben az esetben a tömegközéppontja közvetlenül lefelé mutat, szemben a vízszintes deszkára ható felfelé irányuló felhajtóerővel. A dolgok bonyolultabbá válnak, amikor a személy elmozdul a központtól, de ez kritikus fontosságú a fékezéshez és a sebesség beállításához. Amint a szörfös például hátra mozog, gravitációs ereje most elmozdul a középponttól, és lefelé mutat a hátsó széltől. Ez az elmozdulás a helyét az erő létrehoz egy nyomatékot, és forgatja a hátsó a fórumon a vízbe. Amint ez megtörténik, a deszka hátuljának nagyobb része elmerül, ami teljesen megváltoztatja a felhajtóerő erősségét, és visszatolja a deszka újonnan elmerült részére. Ez az újrabeállítás addig folytatódik, amíg a gravitációs erő és a felhajtóerő általában egyensúlyba nem kerül, eltávolítva a nyomatékot, de most az egyensúly új formáját hagyva—a tábla hátsó vége elmerül, az elülső része pedig a vízből. Ez a beállítás hasznos a fékezéshez, mivel a tábla most függőlegesen merül a vízbe, ami növeli a vízáramlással szembeni ellenállást. Gondoljon arra, hogy merítse a kezét a víz áramlására merőleges folyóba. Valószínűleg úgy érezte, hogy a víz a keze oldalára terelődik. Ugyanez a hatás történik a szörfdeszka hátsó végével, és segít lelassítani a szörföst.

ugyanez az ötlet alkalmazható, ha a szörfös a tábla elejére mozog. Ebben az esetben a felhajtóerő erő előre tolódik, hogy egyensúlyba hozza az elülső szélén lévő gravitációs erőt. Hasonló elvek lehetővé tennék az esztergálást úgy, hogy a súlyt a tábla bal vagy jobb oldalára tolják.

tudomány összekapcsolva: mi a hullám? Milyen erők hoznak létre hullámokat a vízben? Mi befolyásolja ezeknek a hullámoknak a sebességét?

Trinasztikus: a hullámot nagyon nehéz meghatározni, mert egy anyagon keresztüli mozgást ír le, nem magát az anyagot. Gondolj egy húrra, amely a falhoz van rögzítve. A húr nem hullám, hanem hullám jön létre, ha a kötél másik végét következetes mintával fel-le lendítem. Az energia, amit a karom lengésére használok, átkerül a kötélre, és egy hullámot továbbít a kezemből a falhoz és vissza hozzám. Ezért a hullám olyan energiát tartalmaz, amelyet egy anyagon, ebben az esetben a kötélen keresztül továbbítanak.

ugyanez igaz az óceán hullámaira is. A nagy sebességű szél lényegében dörzsöli a víz felszínét. Ez a súrlódás átadja az energiát a gyorsan mozgó légmolekulákból a vízmolekulákba. A hullám méretét számos tényező határozza meg, beleértve a szélsebességet és a “lehívást”, vagy azt a területet, amelyen a szél fúj. Ahogy ez a terület növekszik, több energiát lehet átvinni a szélből a vízbe, sokkal nagyobb hullámcsúcsot hozva létre.

a lényeg itt az, hogy a hullám az energiaátvitel egyik formája. Ebben az esetben az óceán az átviteli közeg, és a vízhullámok a felszínen fújó szélből származó energia átvitelének eredményeként jönnek létre.

Science Connected: hogyan fog egy szörfös egy hullámot?

Trinastic: kezdjük azzal, hogy egy hullám érkezik a deszkáján fekvő szörfös felé. A szörfös evezni kezd a hullám felé, hogy felgyorsítsa a sebességet. Ez csak Newton harmadik törvénye, amely azt mondja, hogy a szörfös erő nyomja a vizet vissza létrehoz egy egyenlő és ellentétes reakció, hogy álljon a szörfös felé a hullám.

amint a szörfös eléri a hullám alját, érezni kell, hogy a víz előre-felfelé tolódik. Ez a hidrodinamikai erő előre fogja tolni, sebességet adva neki, amikor alacsony guggolásra ugrik, hogy kövesse a hullámot. A fő hidrodinamikai erő mellett, amely most felfelé és előre tolja, a vízáramlás apró elmozdulásaiból származó sok kisebb erő megköveteli a szörföstől, hogy folyamatosan állítsa be a súlyát, hogy megőrizze egyensúlyát.

ő lovagol a hullám! De most a hullám csúcsa egyre magasabbra emelkedik, ahogy közelebb kerül a parthoz, több hidrodinamikai erőt hozva létre, amelyek oldalra akarják tolni a szörfösöt. Ha a szörfös túl magasan lovagol a hullámon, ezek a vízszintes erők a címerből átnyomhatják. Másrészt, ha túl konzervatív és túl alacsony marad, elveszíti azt a sebességet, amelyet a hullámban felhalmozódott energia ad neki. Tehát a szörfözés képessége az egyensúly és a sebesség közötti tökéletes vonal meglovagolása. E fenyegetés ellenére, a centripetális erő kihasználásával rövid ideig feljebb lehet haladni egy hullámban, nagyon hasonló módon, mint egy félcsöves gördeszkás, amint azt az előző bejegyzésben tárgyaltam.

Továbbá, ha a hullám elkezd fordulni, a szörfösnek a súlyát a tábla bal vagy jobb oldalára kell helyeznie, hogy nyomatékot alkalmazzon, és óvatosan fordítsa el a táblát, hogy megőrizze útját a hullám mentén is.

hihetetlen, hogy ezt az egész folyamatot a gravitáció és a felhajtóerő összefüggésében gondolkodom, amiről korábban beszéltem! A felhajtóerő ezen a folyamaton keresztül hat a táblára, mivel a gravitáció folyamatosan megpróbálja a szörföst a vízbe húzni. Valójában a hullám hidrodinamikai erői működnek együtt a felhajtóerővel, a lendület megőrzésével együtt, hogy segítsék a szörfös fenntartását.

RELATED: A SLOSHING tudománya: miért fontos a hab?

tudomány csatlakoztatva: a fizika szempontjából miben különböznek a rövid táblák a hosszú tábláktól a szörfözés összefüggésében?

Trinastic: a rövid deszkákat sokkal könnyebb megfordítani a vízben, mint a hosszú deszkákat. Ez a különbség az úgynevezett fizikai koncepciónak köszönhető tehetetlenségi nyomaték. A tehetetlenség leírja, milyen nehéz megváltoztatni valami mozgását, miután elkezdett mozogni. A hosszú deszkák tömege sokkal nagyobb a tábla forgástengelyétől távol, és ez sokkal nagyobb tehetetlenséget okoz, hogy ellenálljon a szörfös által megkísérelt irányváltozásnak.

bár a hosszú deszkák nem biztos, hogy olyan fürgék, nagyobb sebességet érnek el, mint a rövid deszkák, főleg azért, mert nagyobb felületük nagyobb területet biztosít a víz számára, hogy végignyomja a szörföst.

Kiemelt kép: US Open of Surfing at Huntington Beach by Verse Photography.

Edwards, A. (2012). A szörfözés mögött álló mérnöki munka. Illumin, 18(1).