サーファーは海の波の上で踊っているように見えますが、何が浮かんでいるのか、動いていますか？ のは、サーフィンで遊びで物理学を探検してみましょう。

By Jonathan Trinastic

完璧な波をキャッチするサーファーは、長年の経験と水のクレストトンネルをナビゲートするための直感を学んだに依存しています。 しかし、サーフィンはまた、クラッシュ波にも、最も専門家を転落させる脅威と変化する力の数十とサーファーの一定のminuetとして見ることができます。 のは、非常に多くの愛水でこのユニークなダンスを理解するために遊びで最も重要な力を探索してみましょう。

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サーフィンの物理学

接続された科学：サーファーが正しい波を待つとき、彼らは他の波がそれらの下を通過 どのような力が働いていますか？

ジョナサン-トリナスティック博士: サーフィンには、重力、浮力、トルク、波など、多くの物理的な原則が含まれています。 私たちは少し後に波の物理学に入るでしょうが、サーフボードの上に立って誰かについて考えることは、最初の三つの概念を紹介する絶好の機会であり、

サーフボードの直接の中心に立っているサーファーを想像してみてください。 二つの主要な力がプレイしています: サーファーとボードを下に引っ張る重力と、実際にフローティングサーフボードを反対方向に押し上げる浮力。 私たちは皆、私たちを地面に保つ重力に精通しています。 この場合、重力についての最も重要な考え方は、より多くの質量を持つものに作用するときにそれがより強いということです。

浮力は、一方で、直感的ではありません。 あなたが浴槽で浮かぶ子供としてと遊んだかもしれないゴム製duckyについて考えなさい。 アヒルを水の中に置くと、部分的に水没しますが、底まで沈むことはありません。 それはなぜですか？ アヒルが沈み始めると、それは浴槽のより深い水からのより上向きの圧力を感じます。 アヒルは軽量、低密度材料から成っているので、この上向き圧力は結局重力を圧倒し、沈むことからのアヒルを保つ。 メディシンボールやウェイトのような密度の高い物体は、その上の重力が水からの上向きの浮力よりもはるかに強いので、底に沈むでしょう。

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これと同じロジックがサーフボードに適用されます。 軽量のサーフボードは非常に特殊な方法でそれで機能する上向きの浮力が機能する重力の力より大きいように設計され浮くようにそれがする。 今、ボードの中央の上にサーファーを追加します。 サーファーが静止している場合、彼女をプルダウンするために彼女に作用する重力の力は、おそらくボード上の浮力を克服し、サーファーとボードが沈むでしょう。 しかし、サーファーが正しい波を待っているように、彼女はおそらく水の中を移動しており、波は継続的に上昇し、彼女の下に落ちています。 ボードの底を横切って移動する水は、サーファーが水の中に転落するのではなく、浮かんで保つ多くの追加の上向きの力（流体力と呼ばれる）を作成します。 運動量の保存のように、サーファーが海に沈むのを防ぐのにも役立つ、ここで働く他の興味深い物理的な原則がたくさんあります。

接続される科学:物理学の言葉では、サーファーが彼らの板の上に立つときいかにバランスを維持してもいいか。

Trinastic：トルクは、サーファーがコントロールを維持する方法を理解するための鍵です。 私が先に述べたように、水は絶えず板のすべての部分で機能する付加的な変化し、予測不可能な流体力学力を作成するサーフボードの下で起伏している。 サーファーがボードの中心にある場合、重力は彼女の重心から彼女を引っ張ります。 同様に、サーフボードが直接水平である場合、浮力はボードの中心で上方に作用する。 言い換えれば、重力と浮力は同じ場所で反対方向に作用します。 今、水の突進が突然中心から遠く離れた板の背部を、押すことを言おう。 水からのこの力は、ボードを回転させ、サーファーを水の中に投げると脅します。 このように回転する傾向を作成する任意の力は、トルクとして知られています。

サーファーは、あらゆる面からサーフボードを押す波の混沌とした動きのために、常に攻撃とつかの間のトルクと戦っています。 これらに対抗するために、サーファーは、（一般的に）回転力をキャンセルし、水の完全な顔を得ることを避けるために、波のそれとは反対の方向にトルクを作

サイエンスコネクテッド：サーファーがボードの前面または背面の近くに立っているとどうなりますか？

Trinastic:これまでのところ、私はボードの中心に立っているサーファーを説明しただけで、その場合、彼女の質量中心は水平ボードに作用する上向きの浮力に反対して、真下を指しています。 人が中心から離れると、物事はより複雑になりますが、これは制動と速度の調整には重要です。 たとえば、サーファーが後ろに移動するとすぐに、彼女の重力は中心から離れ、後ろの端から下向きになります。 力の位置のこのシフトは、トルクを作成し、水の中にボードの背面を回転させます。 これが起こると同時に、板の背部の多くは完全に浮力力の強さを変え、板の新しく水中に沈められた部分に戻って移す今水中に沈められる。 この再調整は重力および浮力が一般にバランスをとるまで続き、トルクを取除くが、今平衡の新しい形態を残す—板の後端が水中に沈められ、水から前 このセットアップは、ボードが水の中に垂直に浸漬され、水の流れに対する抵抗が増加するため、制動に役立ちます。 水の流れに垂直な川に手を浸すことについて考えてみてください。 あなたはおそらく水があなたの手の側面に偏向したのを感じました。 同じ効果はサーフボードのバックエンドで起こり、サーファーを遅くするのに役立ちます。

サーファーがボードの前面に移動する場合、同じ考えを適用することができます。 この場合、浮力は前縁での重力のバランスをとるために前方にシフトします。 同様の原理は、ボードの左側または右側に重量をシフトすることによって回転を可能にするだろう。

科学はつながっている：波とは何ですか？ どのような力が水の中に波を作りますか？ そして、何がこれらの波の速度に影響を与えますか？

三波：波は、材料自体ではなく、材料を通る動きを記述するため、定義するのが非常に困難な現象になる可能性があります。 壁に取り付けられた文字列を考えてみてください。 紐は波ではありませんが、ロープのもう一方の端を一貫したパターンで上下に振ると波が発生します。 私は私の腕を振るために使用するエネルギーは、ロープに転送され、私の手から壁に波を送信し、私に戻っています。 したがって、波には、材料、この場合はロープを介して伝達されるエネルギーが含まれています。

同じことが海の波にも当てはまります。 高速風は本質的に水の表面に擦れます。 この摩擦は、動きの速い空気分子から水分子にエネルギーを伝達する。 波の大きさは、風速と「フェッチ」、または風が吹いている領域など、多くの要因によって決定されます。 この領域が増加するにつれて、より多くのエネルギーが風から水に伝達され、はるかに大きな波帯が作成されます。

ここでの主なポイントは、波はエネルギー伝達の一形態であるということです。 この場合、海は伝達媒体であり、水の波は、表面を横切って吹く風からエネルギーが伝達された結果として生成されます。

サイエンスコネクテッド：サーファーはどのように波をキャッチしますか？

Trinastic:彼女のボードに横たわっているサーファーに向かって波が入ってくることから始めましょう。 サーファーは、速度を拾うために波に向かってパドリングを開始します。 これはちょうどニュートンの第三の法則であり、水を押し戻すサーファーの力は、波に向かってサーファーを押すために等しい反対の反応を作成すると言います。

サーファーが波の底に当たったのと同じように、彼女は水が前方と上方に押し込まれるのを感じ始めるはずです。 この流体力は、彼女が波に従うために低いしゃがむまでジャンプするように彼女の速度を与え、前方に彼女をプッシュします。 今彼女を押し上げる主な流体力に加えて、水の流れの微細なシフトからの多くの小さな力は、常に彼女のバランスを保つために彼女の体重を再調整す

彼女は波に乗っています！ しかし、今、波の頂上は、それが海岸に近づくにつれてますます高く上昇し続け、サーファーを横に押したいと思うより多くの流体力を作り出します。 サーファーが波の上であまりにも高く乗ると、頂上からのこれらの水平方向の力が彼女を押し上げることができます。 一方、彼女があまりにも保守的で低すぎると、彼女は波に蓄積されたすべてのエネルギーによって彼女に与えられた速度を失うことになります。 だからサーフィンのスキルは、バランスとスピードの間にその完璧なラインに乗ることです。 この脅威にもかかわらず、私はこの前の記事で説明したようにハーフパイプ上のスケートボーダーに非常に似た方法で、求心力を活用することにより、短い時間

また、波が回り始めた場合、サーファーはボードの左側または右側に体重をかけてトルクを加え、ボードを静かに回して波に沿った経路を維持する必要があ

前に話した重力と浮力の文脈でこのプロセス全体を考えるのは信じられないほどです！ 浮力は重力が絶えず水にサーファーを引っ張ることを試みているので、このプロセスによって板で機能している。 それは本当に波からの流体力学的力であり、運動量の保存とともに、サーファーを維持するのに役立ちます。

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接続された科学：物理学の用語では、ショートボードはサーフィンの文脈でロングボードとどのように違うのですか？

Trinastic:ショートボードはロングボードに比べて水の中で回す方がはるかに簡単になります。 この違いは、慣性モーメントとして知られる物理的概念によるものです。 慣性は、それが移動を開始した後、何かの動きを変更することがいかに困難であるかを説明します。 長いボードは、ボードの回転軸からはるかに多くの質量を持ち、これはサーファーが作ろうとしている方向の変化に抵抗するためにはるかに多くの慣性を作

ロングボードは軽快ではないかもしれませんが、ショートボードよりも高速に達します。

注目の画像：詩の写真によるハンティントンビーチでのサーフィンの全米オープン。

Edwards,A.(2012). サーフィンの背後にあるエンジニアリング。 18(1)