Surfere synes å være dans på bølger, men hva holder dem flytende eller flytte? La oss utforske fysikken på spill i surfing.

Av Jonathan Trinastic

Surfere som fanger den perfekte bølgen, stole på mange års erfaring og lært intuisjon for å navigere gjennom en cresting tunnel av vann. Men surfing kan også bli sett på som en surfer konstant menuett med dusinvis av skiftende krefter som truer med å riste selv de mest ekspert i bølger. La oss utforske de viktigste kreftene som spiller for å forstå denne unike dansen med vann som så mange elsker.

RELATERT: SCIENCE OF SKATEBOARDING: HALF-PIPE PHYSICS

Fysikken Til Surfing

Science Connected: når surfere venter på den rette bølgen, kan de la andre bølger passere under dem. Hvilke krefter er på spill?

Dr. Med. Jonathan Trinastic: Surfing omfatter mange fysiske prinsipper-tyngdekraften, oppdrift, dreiemoment og bølger. Vi kommer inn i bølgefysikk litt senere, men å tenke på noen som står på et surfebrett er en flott mulighet til å introdusere de tre første konseptene og hvordan de påvirker en surfers evne til å kontrollere brettet.

Tenk deg en surfer som står midt på surfebrettet. To store krefter er på spill: gravity, som trekker surferen og brettet ned, og den flytende kraften, som faktisk skyver det flytende surfebrettet opp i motsatt retning. Vi er alle kjent med tyngdekraften som holder oss på bakken. Den viktigste ideen om tyngdekraften, i dette tilfellet, er at den er sterkere når man handler på noe med mer masse.

Oppdrift, derimot, er ikke så intuitiv. Tenk på gummi ducky du kanskje har spilt med som barn, flytende i badekaret. Når vi plasserer anda i vannet, synker den delvis, men synker ikke helt til bunnen. Hvorfor det? Når anda begynner å synke, føles det mer oppadgående trykk fra dypere vann i karet. Siden anda er laget av lett, lav tetthet materiale, dette oppadgående trykket til slutt overmanner tyngdekraften og holder anda synker. Tettere gjenstander som en medisinball eller vekter ville synke til bunnen fordi tyngdekraften på den er mye sterkere enn den oppadgående flytende kraften fra vannet.

RELATERT: SURFERE HENTER SLAKK FOR Å OVERVÅKE VANN

Samme logikk gjelder for surfbrett. Det lette surfebrettet er utformet på en svært spesifikk måte, slik at den oppadgående oppdriftskraften som virker på den, er større enn tyngdekraften som virker ned, slik at den kan flyte. Nå legger surferen på toppen av midten av brettet. Hvis surferen er stasjonær, vil tyngdekraften som virker på henne for å trekke henne ned, trolig overvinne den sterke kraften på brettet, og surferen og brettet vil synke. Men som en surfer venter på den rette bølgen, beveger hun seg sannsynligvis gjennom vannet, og bølgene stiger kontinuerlig og faller under henne. Vannet som beveger seg over bunnen av brettet skaper mange ekstra oppadgående krefter (kalt hydrodynamiske krefter) som holder surferen flytende i stedet for å falle i vannet. Det er mange andre interessante fysiske prinsipper på jobb her, som bevaring av momentum, som også bidrar til å forhindre surfere i å synke inn i havet.

Science Connected: i fysikk, hvordan kan surfere opprettholde balanse når de står opp på toppen av brettene sine?

Trinastic: Dreiemoment er nøkkelen til å forstå hvordan surfere opprettholder kontroll. Som jeg nevnte tidligere, er vannet stadig bølgende under surfebrettet, noe som skaper flere varierende og uforutsigbare hydrodynamiske krefter som virker på alle deler av brettet. Hvis surferen er i midten av brettet, trekker tyngdekraften henne ned fra massesenteret. På samme måte, hvis surfebrettet er direkte horisontalt, virker den flytende kraften oppover i midten av brettet. Med andre ord virker tyngdekraften og oppdrift i motsatt retning på samme sted. Nå, la oss si at et rush av vann plutselig skyver opp baksiden av brettet, langt fra sentrum. Denne kraften fra vannet får brettet til å rotere, og truer med å kaste surferen i vannet. Enhver kraft som skaper en tendens til å rotere som dette er kjent som et dreiemoment.

en surfer er stadig kjemper angripe og flyktige dreiemoment på grunn av den kaotiske bevegelse av bølger skyve surfebrett fra alle kanter. For å motvirke disse må surferen lære å bruke vekten i bestemte retninger og steder for å skape dreiemoment i motsatt retning som bølgene, for å (generelt) avbryte rotasjonskreftene og unngå å få et ansikt fullt av vann.

Science Connected: Hva skjer når en surfer står nær forsiden eller baksiden av brettet?

Trinastic: Så langt har jeg bare beskrevet en surfer som står midt på brettet, i så fall midtpunktet av massepunktene direkte nedover, i motsetning til den oppadgående spenstige kraften som virker på et horisontalt brett. Ting blir mer komplisert når personen beveger seg bort fra sentrum, men dette er kritisk for bremsing og justering av hastighet. Så snart surferen beveger seg til baksiden, for eksempel, skifter gravitasjonskraften nå bort fra midten og peker nedover fra bakkanten. Dette skiftet i kraftens plassering skaper et dreiemoment og roterer baksiden av brettet i vannet. Når dette skjer, er mer av baksiden av brettet nå nedsenket, noe som helt endrer styrken til oppdriftskraften og skifter den tilbake til den nylig nedsenkede delen av brettet. Denne omstillingen fortsetter til gravitasjonskraften og den flytende kraften generelt balanserer ut, fjerner dreiemomentet, men forlater nå en ny form for likevekt – med bakenden av brettet nedsenket og den fremre delen ut av vannet. Dette oppsettet er nyttig for bremsing, siden brettet nå dypper vertikalt i vannet, noe som øker motstanden mot vannstrømmen. Tenk på å dyppe hånden din i en elv vinkelrett på vannstrømmen. Du følte sannsynligvis vannet avbøyet til sidene av hånden din. Den samme effekten skjer med baksiden av surfebrettet og bidrar til å senke surferen ned.

Den samme ideen kan brukes hvis surferen beveger seg til forsiden av brettet. I dette tilfellet vil oppdriftens kraft skifte frem for å balansere gravitasjonskraften i forkanten. Lignende prinsipper vil tillate å snu ved å skifte vekt til venstre eller høyre side av brettet.

Vitenskap Tilkoblet: Hva er en bølge? Hvilke krefter skaper bølger i vann? Og hva påvirker hastigheten på disse bølgene?

Trinastisk: en bølge kan være et svært vanskelig fenomen å definere fordi den beskriver en bevegelse gjennom et materiale, ikke selve materialet. Tenk på en streng festet til en vegg. Strengen er ikke en bølge, men en bølge opprettes hvis jeg svinger den andre enden av tauet opp og ned i et konsistent mønster. Energien jeg bruker til å svinge armen min, overføres til tauet og overfører en bølge fra hånden til veggen og tilbake til meg. Derfor inneholder bølgen energi som overføres gjennom et materiale, i dette tilfellet tauet.

det samme gjelder bølger i havet. Høyhastighets vind gnider i hovedsak mot overflaten av vannet. Denne friksjonen overfører energi fra de raskt bevegelige luftmolekylene til vannmolekylene. Størrelsen på bølgen bestemmes av mange faktorer, inkludert vindhastigheten og «hente», eller området over hvilket vinden blåser. Etter hvert som dette området øker, kan mer energi overføres fra vinden til vannet, noe som skaper en mye større bølgekam.

hovedpoenget her er at en bølge er en form for energioverføring. Havet er overføringsmediet i dette tilfellet, og vannbølger opprettes som følge av at energi overføres fra vind som blåser over overflaten.

Vitenskap Tilkoblet: Hvordan fanger en surfer en bølge?

Trinastic: La oss starte med en bølge som kommer inn mot en surfer som ligger på bordet hennes. Surferen begynner å padle mot bølgen for å hente fart. Dette Er Bare Newtons Tredje Lov, som sier at surferens kraft som skyver vannet tilbake, vil skape en lik og motsatt reaksjon for å skyve surferen mot bølgen.

akkurat som surferen treffer bunnen av bølgen, bør hun begynne å føle vannet skyve fremover og oppover. Denne hydrodynamiske kraften vil presse henne fremover, noe som gir henne fart når hun hopper opp til en lav crouch for å følge bølgen. I tillegg til den viktigste hydrodynamiske kraften som nå skyver henne opp og fremover, vil mange mindre krefter fra små skift i vannstrømmen kreve at surferen hele tiden justerer vekten for å holde balansen.

Hun rir på bølgen! Men nå toppen av bølgen vil fortsette å stige høyere og høyere som den beveger seg nærmere land, skape mer hydrodynamiske krefter som ønsker å presse surferen sidelengs. Hvis surferen rir for høyt opp på bølgen, kan disse horisontale kreftene fra toppen skyve henne over. På den annen side, hvis hun er for konservativ og forblir for lav, vil hun miste hastigheten som er gitt til henne av all energi som har akkumulert i bølgen. Så ferdigheten i surfing er å ri den perfekte linjen mellom balanse og fart. Til tross for denne trusselen er det mulig å ri høyere opp i en bølge i kort tid ved å utnytte sentripetalkraften, på en måte som ligner en skateboarder på en halfpipe som jeg diskuterte i dette forrige innlegget.

også, hvis bølgen begynner å snu, vil surferen også trenger å bruke sin vekt på venstre eller høyre side av brettet for å bruke et dreiemoment og forsiktig slå styret å opprettholde sin bane langs bølgen også.

det er utrolig å tenke på hele denne prosessen i sammenheng med tyngdekraften og oppdrift jeg snakket om tidligere! Oppdrift opptrer på brettet gjennom denne prosessen, da tyngdekraften hele tiden prøver å trekke surferen i vannet. Det er egentlig de hydrodynamiske kreftene fra bølgen som jobber med den flytende kraften, sammen med bevaring av momentum, for å holde surferen oppe.

RELATERT: SCIENCE OF SLOSHING: HVORFOR SKUM ER VIKTIG

Science Connected: i fysikk termer, hvordan er korte brett forskjellig fra lange brett i sammenheng med surfing?

Trinastic: Korte brett vil være mye lettere å snu i vannet sammenlignet med lange brett. Denne forskjellen skyldes et fysisk konsept kjent som treghetsmoment. Inerti beskriver hvor vanskelig det er å endre noe bevegelser når det har begynt å bevege seg. Lange brett har mye mer masse langt fra rotasjonsaksen til brettet, og dette skaper mye mer treghet for å motstå en retningsendring som en surfer prøver å gjøre.

selv om lange brett kanskje ikke er så kvikke, når de høyere hastigheter enn korte brett, hovedsakelig fordi deres større overflate gir mer område for vann for å presse surferen sammen.

Utvalgt bilde: Us Open Av Surfing På Huntington Beach Av Vers Fotografering.

Edwards, A. (2012). Teknologien bak surfing. Illumin, 18 (1).