Surfers lijken te dansen op de golven van de oceaan, maar wat houdt ze drijven of bewegen? Laten we de fysica van het surfen verkennen.

door Jonathan Trinastic

Surfers die de perfecte golf vangen, vertrouwen op jarenlange ervaring en aangeleerde intuïtie om door een krakende tunnel van water te navigeren. Maar surfen kan ook worden gezien als een constante Menuet van een surfer met tientallen veranderende krachten die dreigen te tuimelen zelfs de meest deskundige in de crashende golven. Laten we de belangrijkste krachten onderzoeken om deze unieke dans met water te begrijpen waar zo velen van houden.

gerelateerd: wetenschap van het skateboarden: halfpipe fysica

de fysica van het surfen

wetenschap verbonden: wanneer surfers wachten op de juiste golf, kunnen ze andere golven eronder laten passeren. Welke krachten spelen er?

Dr. Jonathan Trinastic: Surfen omvat vele fysische principes-zwaartekracht, drijfvermogen, koppel en golven. We zullen een beetje later in golffysica komen, maar denken aan iemand die op een surfplank staat is een geweldige kans om de eerste drie concepten te introduceren en hoe ze van invloed zijn op het vermogen van een surfer om het board te controleren.

stel je een surfer voor die in het midden van de surfplank staat. Twee grote krachten spelen: zwaartekracht, die de surfer en het bord naar beneden trekt, en de drijfkracht, die de zwevende surfplank in de tegenovergestelde richting omhoog duwt. We zijn allemaal bekend met de zwaartekracht die ons op de grond houdt. Het belangrijkste idee over zwaartekracht, in dit geval, is dat het sterker is wanneer het werkt op iets met meer massa.

drijfvermogen daarentegen is minder intuïtief. Denk aan het rubber eendje waar je als kind mee speelde, drijvend in de badkuip. Als we de eend in het water plaatsen, duikt hij gedeeltelijk onder, maar zakt niet helemaal naar de bodem. Waarom is dat? Als de eend begint te zinken, voelt het meer opwaartse druk van het diepere water in het bad. Omdat de eend gemaakt is van lichtgewicht materiaal met een lage dichtheid, overmeestert deze opwaartse druk uiteindelijk de zwaartekracht en voorkomt dat de eend wegzinkt. Dichtere objecten zoals een medicijnbal of gewichten zouden naar de bodem zinken omdat de zwaartekracht er veel sterker op is dan de opwaartse drijfkracht van het water.

gerelateerd: SURFERS nemen de speling op om WATER te monitoren

dezelfde logica geldt voor surfplanken. De lichtgewicht surfplank is ontworpen op een zeer specifieke manier, zodat de opwaartse drijfkracht die erop werkt groter is dan de zwaartekracht die naar beneden werkt, waardoor het kan zweven. Nu, voeg de surfer op de top van het midden van het bord. Als de surfer stilstaat, zal de zwaartekracht die op haar werkt om haar naar beneden te trekken waarschijnlijk de drijvende kracht op het bord overwinnen, en de surfer en het bord zullen zinken. Echter, als een surfer wacht op de juiste Golf, ze is waarschijnlijk bewegen door het water, en golven zijn voortdurend stijgen en vallen onder haar. Het water dat over de bodem van het bord beweegt, creëert veel extra opwaartse krachten (hydrodynamische krachten genoemd) die de surfer drijvend houden in plaats van in het water te tuimelen. Er zijn een heleboel andere interessante fysische principes aan het werk hier, zoals behoud van het momentum, die ook helpen om te voorkomen dat surfers zinken in de oceaan.

wetenschap verbonden: in fysica termen, hoe kunnen surfers evenwicht houden als ze op de top van hun planken staan?Trinastic: koppel is de sleutel om te begrijpen hoe surfers de controle behouden. Zoals ik al eerder zei, golft het water voortdurend onder de surfplank, wat extra variërende en onvoorspelbare hydrodynamische krachten creëert die op alle delen van het bord inwerken. Als de surfer in het midden van het bord is, dan trekt de zwaartekracht haar naar beneden uit haar middelpunt van de massa. Evenzo, als de surfplank is direct horizontaal, de drijvende kracht werkt omhoog in het midden van het bord. Met andere woorden, zwaartekracht en drijfvermogen werken in tegengestelde richtingen op dezelfde locatie. Nu, laten we zeggen dat een stormloop van water plotseling duwt de achterkant van het bord, ver van het centrum. Deze kracht van het water zorgt ervoor dat het bord wil draaien en dreigt de surfer in het water te gooien. Elke kracht die een neiging tot draaien creëert, staat bekend als een koppel.

een surfer Vecht voortdurend tegen aanvallende en vluchtige draaimomenten vanwege de chaotische beweging van golven die de surfplank van alle kanten duwen. Om deze tegen te gaan, moet de surfer leren om haar gewicht toe te passen in bepaalde richtingen en locaties om koppel te creëren in de tegenovergestelde richting als die van de golven, om (in het algemeen) de rotatiekrachten te elimineren en te voorkomen dat een gezicht vol water.

Science Connected: Wat gebeurt er als een surfer aan de voor-of achterkant van het bord staat?Trinastisch: tot nu toe heb ik alleen een surfer beschreven die in het midden van het bord staat, in welk geval haar massacentrum rechtstreeks naar beneden wijst, in tegenstelling tot de opwaartse drijvende kracht die op een horizontaal bord werkt. Dingen worden ingewikkelder wanneer de persoon zich van het centrum verwijdert, maar dit is cruciaal voor het remmen en het aanpassen van de snelheid. Zodra de surfer bijvoorbeeld naar achteren beweegt, verschuift haar gravitatiekracht nu van het Midden en wijst naar beneden vanaf de achterkant. Deze verschuiving in de locatie van de kracht zorgt voor een koppel en draait de achterkant van het bord in het water. Als dit gebeurt, wordt meer van de achterkant van het board nu ondergedompeld, wat de kracht van het drijfvermogen volledig verandert en het terug verschuift naar het nieuw ondergedompelde deel van het board. Deze aanpassing gaat door totdat de gravitatiekracht en drijfkracht in het algemeen in evenwicht zijn, waardoor het koppel wordt verwijderd, maar nu een nieuwe vorm van evenwicht wordt achtergelaten—met de achterkant van het bord ondergedompeld en het voorste deel uit het water. Deze opstelling is nuttig voor het remmen, aangezien het bord nu verticaal in het water dompelt, wat de weerstand tegen waterstroom verhoogt. Denk aan het dompelen van je hand in een rivier loodrecht op de stroom van water. Je voelde het water waarschijnlijk naar de zijkanten van je hand afbuigen. Hetzelfde effect gebeurt met de achterkant van de surfplank en helpt de surfer te vertragen.

hetzelfde idee kan worden toegepast als de surfer naar de voorkant van het bord beweegt. In dit geval zal de drijfkracht naar voren verschuiven om de gravitatiekracht aan de voorkant in evenwicht te brengen. Soortgelijke principes zouden het mogelijk maken om te draaien door het gewicht te verschuiven naar de linker-of rechterkant van het bord.

wetenschap verbonden: Wat is een golf? Welke krachten creëren golven in water? En wat beïnvloedt de snelheid van deze golven?Trinastisch: een golf kan een zeer moeilijk te definiëren fenomeen zijn omdat het een beweging door een materiaal beschrijft, niet het materiaal zelf. Denk aan een touwtje aan een muur. Het touw is geen golf, maar er ontstaat een golf als ik het andere uiteinde van het touw op en neer zwaai in een consistent patroon. De energie die ik gebruik om mijn arm te zwaaien wordt overgebracht naar het touw en stuurt een golf van mijn hand naar de muur en terug naar mij. Daarom bevat de golf energie die wordt overgedragen door een materiaal, in dit geval het touw.

hetzelfde geldt voor golven in de oceaan. Snelle wind wrijft voornamelijk tegen het wateroppervlak. Deze wrijving brengt energie van de snel bewegende luchtmoleculen naar de watermoleculen. De grootte van de golf wordt bepaald door vele factoren, waaronder de windsnelheid en het “halen”, of het gebied waarover de wind waait. Naarmate dit gebied toeneemt, kan meer energie van de wind naar het water worden overgebracht, waardoor een veel grotere golfkam ontstaat.

het belangrijkste punt hier is dat een golf een vorm van energieoverdracht is. De oceaan is in dit geval het overbrengende medium, en watergolven ontstaan als gevolg van energie die wordt overgedragen door wind die over het oppervlak waait.

Science Connected: hoe vangt een surfer een golf?

Trinastic: laten we beginnen met een golf die binnenkomt naar een surfer die op haar bord ligt. De surfer begint te peddelen naar de golf om snelheid op te halen. Dit is gewoon Newton ‘ s derde wet, die zegt dat de kracht van de surfer om het water terug te duwen een gelijke en tegenovergestelde reactie zal creëren om de surfer naar de golf te duwen.

net als de surfer de bodem van de Golf raakt, moet ze het water naar voren en naar boven voelen duwen. Deze hydrodynamische kracht zal haar naar voren duwen, waardoor ze snelheid krijgt als ze op een lage Hurk springt om de golf te volgen. Naast de belangrijkste hydrodynamische kracht die haar nu omhoog en vooruit duwt, zullen veel kleinere krachten van minuscule verschuivingen in de waterstroom de surfer nodig hebben om voortdurend haar gewicht aan te passen om haar evenwicht te houden.Waves of Physics:The Science of Surfing

She ‘ s riding the wave! Maar nu zal de top van de Golf hoger en hoger blijven stijgen naarmate hij dichter bij de kust komt, waardoor meer hydrodynamische krachten ontstaan die de surfer zijdelings willen duwen. Als de surfer te hoog op de Golf rijdt, kunnen deze horizontale krachten van de kam haar omver duwen. Aan de andere kant, als ze te conservatief is en te laag blijft, zal ze de snelheid verliezen die haar wordt toegekend door alle energie die zich in de Golf heeft verzameld. Dus de vaardigheid in surfen is om de perfecte lijn tussen balans en snelheid te rijden. Ondanks deze dreiging is het mogelijk om een korte tijd hoger in een golf te rijden door gebruik te maken van de centripetale kracht, op een manier die erg lijkt op een skateboarder op een halfpipe zoals ik in dit vorige bericht heb besproken.

als de golf begint te draaien, moet de surfer ook haar gewicht aan de linker-of rechterkant van het bord aanbrengen om een koppel aan te brengen en het bord voorzichtig draaien om zijn pad langs de golf te behouden.Het is ongelooflijk om over dit hele proces na te denken in de context van zwaartekracht en drijfvermogen waar ik het eerder over had! Drijfvermogen werkt op het bord door dit proces, omdat de zwaartekracht voortdurend probeert de surfer in het water te trekken. Het zijn de hydrodynamische krachten van de golf die werken met de drijvende kracht, samen met het behoud van het momentum, om de surfer overeind te houden.

gerelateerd: wetenschap van klossen: waarom schuim belangrijk is

wetenschap verbonden: in fysica termen, hoe verschillen korte boards van lange boards in de context van surfen?

Trinastisch: korte planken zijn veel gemakkelijker te draaien in het water in vergelijking met lange planken. Dit verschil is te wijten aan een natuurkundig concept dat bekend staat als het traagheidsmoment. Inertie beschrijft hoe moeilijk het is om de bewegingen van iets te veranderen als het eenmaal is begonnen te bewegen. Lange boards hebben veel meer massa ver van de rotatie-as van het bord, en dit creëert veel meer inertie om een verandering in richting die een surfer probeert te maken te weerstaan.

hoewel lange platen niet zo wendbaar zijn, bereiken ze hogere snelheden dan korte platen, vooral omdat hun grotere oppervlak meer ruimte biedt voor water om de surfer langs te duwen.”Waves of Physics:The Science of Surfing”

aanbevolen afbeelding: US Open of Surfing at Huntington Beach by Verse Photography.

Edwards, A. (2012). De techniek achter het surfen. Illuminin, 18(1).