I surfisti sembrano ballare sulle onde dell’oceano, ma cosa li tiene a galla o in movimento? Esploriamo la fisica in gioco nel surf.

Di Jonathan Trinastic

Surfisti cattura l’onda perfetta si basano su anni di esperienza e l’intuizione imparato a navigare attraverso un tunnel cresting di acqua. Ma il surf può anche essere visto come il minuetto costante di un surfista con dozzine di forze mutevoli che minacciano di far cadere anche i più esperti nelle onde che si infrangono. Esploriamo le forze più importanti in gioco per capire questa danza unica con l’acqua che tanti amano.

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The Physics of Surfing

Science Connected: Quando i surfisti aspettano l’onda giusta, possono lasciare che altre onde passino sotto di loro. Quali forze sono in gioco?

Il dottor Jonathan Trinastic: Surf comprende molti principi fisici-gravità, galleggiabilità, coppia, e le onde. Entreremo in fisica delle onde un po ‘ più tardi, ma pensare a qualcuno in piedi su una tavola da surf è una grande opportunità per introdurre i primi tre concetti e come influenzano la capacità di un surfista di controllare la tavola.

Immaginate un surfista in piedi al centro diretto della tavola da surf. Due forze principali sono in gioco: gravità, che tira il surfista e la tavola verso il basso, e la forza di galleggiamento, che in realtà spinge la tavola da surf galleggiante verso l’alto nella direzione opposta. Tutti conosciamo la forza di gravità che ci tiene a terra. L’idea più importante sulla gravità, in questo caso, è che è più forte quando agisce su qualcosa con più massa.

La galleggiabilità, d’altra parte, non è così intuitiva. Pensa al papero di gomma con cui potresti aver giocato da bambino, galleggiando nella vasca da bagno. Quando mettiamo l’anatra nell’acqua, si immerge parzialmente ma non affonda fino in fondo. Perche ‘ mai? Mentre l’anatra inizia ad affondare, si sente più pressione verso l’alto dall’acqua più profonda nella vasca. Poiché l’anatra è fatta di materiale leggero e a bassa densità, questa pressione verso l’alto alla fine supera la gravità e impedisce all’anatra di affondare. Oggetti più densi come una palla medica o pesi affonderebbero sul fondo perché la forza di gravità su di esso è molto più forte della forza di galleggiamento verso l’alto dall’acqua.

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Questa stessa logica si applica alle tavole da surf. La tavola da surf leggera è progettata in modo molto specifico, in modo tale che la forza di galleggiamento verso l’alto che agisce su di essa sia maggiore della forza di gravità che agisce verso il basso, permettendole di galleggiare. Ora, aggiungi il surfista in cima al centro della tavola. Se il surfista è fermo, la forza di gravità che agisce su di lei per tirarla giù probabilmente supererà la forza di galleggiamento sulla tavola, e il surfista e la tavola affonderanno. Tuttavia, come un surfista è in attesa per l’onda giusta, lei è probabilmente in movimento attraverso l’acqua, e le onde sono in continuo aumento e cadere sotto di lei. L’acqua che si muove sul fondo della tavola crea molte forze aggiuntive verso l’alto (chiamate forze idrodinamiche) che mantengono il surfista a galla piuttosto che cadere nell’acqua. Ci sono molti altri principi fisici interessanti al lavoro qui, come la conservazione della quantità di moto, che aiutano anche a impedire ai surfisti di affondare nell’oceano.

Science Connected: In termini di fisica, come possono i surfisti mantenere l’equilibrio quando si alzano in cima alle loro tavole?

Trinastic: Torque è la chiave per capire come i surfisti mantengono il controllo. Come ho detto prima, l’acqua è costantemente ondulata sotto la tavola da surf, il che crea ulteriori forze idrodinamiche variabili e imprevedibili che agiscono su tutte le parti della tavola. Se il surfista è al centro della tavola, la gravità la tira giù dal suo centro di massa. Allo stesso modo, se la tavola da surf è direttamente orizzontale, la forza di galleggiamento agisce verso l’alto al centro della tavola. In altre parole, gravità e galleggiabilità agiscono in direzioni opposte nella stessa posizione. Ora, diciamo che una corsa d’acqua spinge improvvisamente la parte posteriore della tavola, lontano dal centro. Questa forza dall’acqua fa sì che la tavola voglia ruotare, minacciando di gettare il surfista in acqua. Qualsiasi forza che crea una tendenza a ruotare in questo modo è nota come coppia.

Un surfista è costantemente alle prese con coppie d’attacco e fugaci a causa del movimento caotico delle onde che spingono la tavola da surf da tutti i lati. Per contrastare questi, il surfista deve imparare ad applicare il suo peso in particolari direzioni e posizioni per creare coppia nella direzione opposta a quella delle onde, per (generalmente) annullare le forze rotazionali ed evitare di ottenere una faccia piena d’acqua.

Science Connected: Cosa succede quando un surfista si trova vicino alla parte anteriore o posteriore della tavola?

Trinastic: Finora, ho descritto solo un surfista in piedi al centro della tavola, nel qual caso il suo centro di massa punta direttamente verso il basso, in opposizione alla forza di galleggiamento verso l’alto che agisce su una tavola orizzontale. Le cose diventano più complicate quando la persona si allontana dal centro, ma questo è fondamentale per frenare e regolare la velocità. Non appena il surfista si sposta verso la parte posteriore, ad esempio, la sua forza gravitazionale ora si allontana dal centro e punta verso il basso dal bordo posteriore. Questo spostamento nella posizione della forza crea una coppia e ruota la parte posteriore della tavola nell’acqua. Come questo accade, più della parte posteriore della tavola è ora sommersa, che cambia completamente la forza della forza di galleggiamento e lo sposta di nuovo alla parte appena sommersa della tavola. Questo riaggiustamento continua fino a quando la forza gravitazionale e la forza di galleggiamento generalmente si bilanciano, rimuovendo la coppia ma lasciando ora una nuova forma di equilibrio—con la parte posteriore della tavola sommersa e la parte anteriore fuori dall’acqua. Questa configurazione è utile per la frenata, dal momento che la scheda è ora immergendo verticalmente in acqua, che aumenta la resistenza al flusso d’acqua. Pensa a immergere la mano in un fiume perpendicolare al flusso dell’acqua. Probabilmente hai sentito l’acqua deviata ai lati della tua mano. Lo stesso effetto si verifica con il back-end della tavola da surf e aiuta a rallentare il surfista verso il basso.

La stessa idea può essere applicata se il surfista si sposta nella parte anteriore della tavola. In questo caso, la forza di galleggiabilità si sposterà in avanti per bilanciare la forza gravitazionale sul bordo anteriore. Principi simili consentirebbero di girare spostando il peso sul lato sinistro o destro della tavola.

Science Connected: cos’è un’onda? Quali forze creano onde nell’acqua? E cosa influenza la velocità di queste onde?

Trinastico: Un’onda può essere un fenomeno molto difficile da definire perché descrive un moto attraverso un materiale, non il materiale stesso. Pensa a una corda attaccata a un muro. La corda non è un’onda, ma un’onda viene creata se faccio oscillare l’altra estremità della corda su e giù in uno schema coerente. L’energia che uso per oscillare il mio braccio viene trasferita alla corda e trasmette un’onda dalla mia mano al muro e di nuovo a me. Pertanto, l’onda contiene energia che viene trasmessa attraverso un materiale, in questo caso, la corda.

Lo stesso vale per le onde nell’oceano. Il vento ad alta velocità si sfrega essenzialmente contro la superficie dell’acqua. Questo attrito trasferisce energia dalle molecole d’aria in rapido movimento alle molecole d’acqua. La dimensione dell’onda è determinata da molti fattori, tra cui la velocità del vento e il “fetch”, o l’area su cui soffia il vento. Man mano che quest’area aumenta, più energia può essere trasferita dal vento all’acqua, creando una cresta d’onda molto più grande.

Il punto principale qui è che un’onda è una forma di trasmissione di energia. L’oceano è il mezzo di trasmissione in questo caso e le onde d’acqua vengono create come risultato del trasferimento di energia dal vento che soffia sulla superficie.

Science Connected: come fa un surfista a catturare un’onda?

Trinastic: Iniziamo con un’onda che arriva verso un surfista sdraiato sulla sua tavola. Il surfista inizia a remare verso l’onda per prendere velocità. Questa è solo la Terza Legge di Newton, che dice che la forza del surfista che spinge indietro l’acqua creerà una reazione uguale e opposta per spingere il surfista verso l’onda.

Proprio come il surfista colpisce il fondo dell’onda, dovrebbe iniziare a sentire l’acqua spingere in avanti e verso l’alto. Questa forza idrodinamica la spingerà in avanti, dandole velocità mentre salta fino a un basso crouch per seguire l’onda. Oltre alla forza idrodinamica principale ora spingendola su e in avanti, molte forze più piccole da spostamenti minuti nel flusso d’acqua richiederanno al surfista di riaggiustare costantemente il suo peso per mantenere il suo equilibrio.

Sta cavalcando l’onda! Ma ora la cresta dell’onda continuerà a salire sempre più in alto mentre si avvicina alla riva, creando più forze idrodinamiche che vogliono spingere il surfista lateralmente. Se il surfista cavalca troppo in alto sull’onda, queste forze orizzontali dalla cresta possono spingerla. D’altra parte, se è troppo conservatrice e rimane troppo bassa, perderà la velocità conferitale da tutta l’energia che si è accumulata nell’onda. Quindi l’abilità nel surf è quella di guidare quella linea perfetta tra equilibrio e velocità. Nonostante questa minaccia, è possibile cavalcare più in alto in un’onda per un breve periodo di tempo sfruttando la forza centripeta, in un modo molto simile a uno skateboarder su un halfpipe come ho discusso in questo post precedente.

Inoltre, se l’onda inizia a girare, il surfista dovrà anche applicare il suo peso sul lato sinistro o destro della tavola per applicare una coppia e ruotare delicatamente la tavola per mantenere il suo percorso lungo l’onda.

È incredibile pensare a questo intero processo nel contesto della gravità e della galleggiabilità di cui ho parlato prima! Galleggiabilità agisce sulla scheda attraverso questo processo, come la gravità è costantemente cercando di tirare il surfista in acqua. Sono davvero le forze idrodinamiche dell’onda che lavorano con la forza di galleggiamento, insieme alla conservazione della quantità di moto, per aiutare a mantenere il surfista in alto.

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Science Connected: In termini di fisica, in che modo le tavole corte differiscono dalle tavole lunghe nel contesto del surf?

Trinastic: le tavole corte saranno molto più facili da girare in acqua rispetto alle tavole lunghe. Questa differenza è dovuta a un concetto fisico noto come momento di inerzia. L’inerzia descrive quanto sia difficile cambiare i movimenti di qualcosa una volta che ha iniziato a muoversi. Le tavole lunghe hanno molta più massa lontano dall’asse di rotazione della tavola, e questo crea molta più inerzia per resistere a un cambiamento di direzione che un surfista sta cercando di fare.

Anche se le tavole lunghe potrebbero non essere così agili, raggiungono velocità più elevate rispetto alle tavole corte, principalmente perché la loro superficie più grande fornisce più area per l’acqua per spingere il surfista.

Immagine in primo piano: US Open di Surf a Huntington Beach da Verse Fotografia.

Edwards, A. (2012). L’ingegneria dietro il surf. Illumin, 18 (1).