Los surfistas parecen estar bailando en las olas del océano, pero ¿qué los mantiene a flote o en movimiento? Exploremos la física en juego en el surf.

Por Jonathan Trinastic

Los surfistas que atrapan la ola perfecta confían en años de experiencia e intuición aprendida para navegar a través de un túnel de agua crestante. Pero el surf también se puede ver como el minueto constante de un surfista con docenas de fuerzas cambiantes que amenazan con caer incluso al más experto en las olas que se estrellan. Exploremos las fuerzas más importantes en juego para entender esta danza única con agua que tanto gusta.

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La Física del Surf

Ciencia conectada: Cuando los surfistas esperan la ola correcta, pueden dejar que otras olas pasen por debajo de ellos. ¿Qué fuerzas están en juego?

Dr. Jonathan Trinastic: El surf abarca muchos principios físicos: gravedad, flotabilidad, torque y olas. Entraremos en la física de olas un poco más tarde, pero pensar en alguien de pie en una tabla de surf es una gran oportunidad para presentar los tres primeros conceptos y cómo afectan la capacidad de un surfista para controlar la tabla.

Imagina a un surfista de pie en el centro directo de la tabla de surf. Dos fuerzas principales están en juego: la gravedad, que tira del surfista y la tabla hacia abajo, y la fuerza de flotación, que en realidad empuja la tabla de surf flotante hacia arriba en la dirección opuesta. Todos estamos familiarizados con la fuerza de gravedad que nos mantiene en el suelo. La idea más importante sobre la gravedad, en este caso, es que es más fuerte cuando actúa sobre algo con más masa.

La flotabilidad, por otro lado, no es tan intuitiva. Piensa en el patito de goma con el que podrías haber jugado de niño, flotando en la bañera. Cuando colocamos el pato en el agua, se sumerge parcialmente, pero no se hunde hasta el fondo. ¿Por qué es eso? A medida que el pato comienza a hundirse, se siente más presión hacia arriba desde el agua más profunda de la bañera. Dado que el pato está hecho de material liviano y de baja densidad, esta presión ascendente finalmente supera la gravedad y evita que el pato se hunda. Objetos más densos como una pelota medicinal o pesas se hundirían hasta el fondo porque la fuerza de gravedad sobre ella es mucho más fuerte que la fuerza de flotación ascendente del agua.

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Esta misma lógica se aplica a las tablas de surf. La tabla de surf ligera está diseñada de una manera muy específica, de modo que la fuerza de flotación ascendente que actúa sobre ella es mayor que la fuerza de gravedad que actúa hacia abajo, lo que le permite flotar. Ahora, agrega el surfer en la parte superior del centro de la tabla. Si el surfista está estacionario, la fuerza de gravedad que actúa sobre él para tirarlo hacia abajo probablemente superará la fuerza de flotación en la tabla, y el surfista y la tabla se hundirán. Sin embargo, como un surfista está esperando la ola correcta, probablemente se esté moviendo a través del agua, y las olas están subiendo y cayendo continuamente debajo de ella. El agua que se mueve a través de la parte inferior de la tabla crea muchas fuerzas ascendentes adicionales (llamadas fuerzas hidrodinámicas) que mantienen al surfista a flote en lugar de caer al agua. Hay muchos otros principios físicos interesantes en funcionamiento aquí, como la conservación del impulso, que también ayudan a evitar que los surfistas se hundan en el océano.

Ciencia conectada: En términos de física, ¿cómo pueden los surfistas mantener el equilibrio cuando se ponen de pie en la parte superior de sus tablas?

Trinastic: El torque es la clave para entender cómo los surfistas mantienen el control. Como mencioné anteriormente, el agua está constantemente ondulando debajo de la tabla de surf, lo que crea fuerzas hidrodinámicas variables e impredecibles adicionales que actúan en todas las partes de la tabla. Si el surfista está en el centro de la tabla, entonces la gravedad la tira hacia abajo de su centro de masa. Del mismo modo, si la tabla de surf es directamente horizontal, la fuerza de flotación actúa hacia arriba en el centro de la tabla. En otras palabras, la gravedad y la flotabilidad actúan en direcciones opuestas en el mismo lugar. Ahora, digamos que un chorro de agua de repente empuja hacia arriba la parte posterior de la tabla, lejos del centro. Esta fuerza del agua hace que la tabla quiera girar, amenazando con lanzar al surfista al agua. Cualquier fuerza que cree una tendencia a girar de esta manera se conoce como par.

Un surfista está constantemente luchando contra torques de ataque y fugaces debido al movimiento caótico de las olas que empujan la tabla de surf desde todos los lados. Para contrarrestar esto, el surfista debe aprender a aplicar su peso en direcciones y ubicaciones particulares para crear un par en la dirección opuesta a la de las olas, para (generalmente) cancelar las fuerzas de rotación y evitar que la cara se llene de agua.

Ciencia conectada: ¿Qué sucede cuando un surfista se para cerca de la parte delantera o trasera de la tabla?

Trinastic: Hasta ahora, solo he descrito a una surfista de pie en el centro del tablero, en cuyo caso su centro de masa apunta directamente hacia abajo, en oposición a la fuerza ascendente que actúa sobre un tablero horizontal. Las cosas se complican cuando la persona se aleja del centro, pero esto es fundamental para frenar y ajustar la velocidad. Tan pronto como el surfista se mueve hacia atrás, por ejemplo, su fuerza gravitacional ahora se aleja del centro y apunta hacia abajo desde el borde posterior. Este cambio en la ubicación de la fuerza crea un par y gira la parte posterior de la tabla hacia el agua. A medida que esto sucede, una mayor parte de la parte posterior de la tabla ahora está sumergida, lo que cambia por completo la fuerza de flotabilidad y la desplaza de nuevo a la parte recién sumergida de la tabla. Este reajuste continúa hasta que la fuerza gravitacional y la fuerza flotante generalmente se equilibran, eliminando el par, pero ahora dejando una nueva forma de equilibrio, con el extremo posterior de la tabla sumergido y la parte delantera fuera del agua. Esta configuración es útil para frenar, ya que la tabla ahora se sumerge verticalmente en el agua, lo que aumenta la resistencia al flujo de agua. Piense en sumergir su mano en un río perpendicular al flujo de agua. Probablemente sentiste que el agua se desviaba hacia los lados de tu mano. El mismo efecto ocurre con la parte trasera de la tabla de surf y ayuda a ralentizar al surfista.

La misma idea se puede aplicar si el surfista se mueve al frente de la tabla. En este caso, la fuerza de flotabilidad se desplazará hacia adelante para equilibrar la fuerza gravitacional en el borde frontal. Principios similares permitirían girar desplazando el peso hacia el lado izquierdo o derecho de la tabla.

Ciencia conectada: ¿Qué es una ola? ¿Qué fuerzas crean olas en el agua? ¿Y qué influye en la velocidad de estas olas?

Trinástico: Una onda puede ser un fenómeno muy difícil de definir porque describe un movimiento a través de un material, no el material en sí. Piensa en una cuerda atada a una pared. La cuerda no es una ola, pero se crea una ola si balanceo el otro extremo de la cuerda hacia arriba y hacia abajo en un patrón consistente. La energía que uso para balancear mi brazo se transfiere a la cuerda y transmite una onda de mi mano a la pared y de regreso a mí. Por lo tanto, la onda contiene energía que se transmite a través de un material, en este caso, la cuerda.

Lo mismo es cierto de las olas en el océano. El viento de alta velocidad se frota esencialmente contra la superficie del agua. Esta fricción transfiere energía de las moléculas de aire que se mueven rápidamente a las moléculas de agua. El tamaño de la ola está determinado por muchos factores, incluida la velocidad del viento y el «fetch», o el área sobre la que sopla el viento. A medida que esta área aumenta, se puede transferir más energía del viento al agua, creando una cresta de olas mucho más grande.

El punto principal aquí es que una onda es una forma de transmisión de energía. El océano es el medio de transmisión en este caso, y las olas de agua se crean como resultado de la transferencia de energía del viento que sopla a través de la superficie.

Ciencia conectada: ¿Cómo atrapa una ola un surfista?

Trinastic: Comencemos con una ola que se acerca hacia una surfista acostada en su tabla. El surfista comienza a remar hacia la ola para aumentar la velocidad. Esta es solo la Tercera Ley de Newton, que dice que la fuerza del surfista empujando el agua hacia atrás creará una reacción igual y opuesta para empujar al surfista hacia la ola.

Justo cuando el surfista golpea la parte inferior de la ola, debe comenzar a sentir que el agua empuja hacia adelante y hacia arriba. Esta fuerza hidrodinámica la empujará hacia adelante, dándole velocidad a medida que salta hasta un agacharse bajo para seguir la ola. Además de la fuerza hidrodinámica principal que ahora la empuja hacia arriba y hacia adelante, muchas fuerzas más pequeñas de cambios de minutos en el flujo de agua requerirán que el surfista reajuste constantemente su peso para mantener el equilibrio.

¡Está montando la ola! Pero ahora la cresta de la ola continuará elevándose más y más a medida que se acerca a la orilla, creando más fuerzas hidrodinámicas que quieren empujar al surfista hacia los lados. Si el surfista monta demasiado alto en la ola, estas fuerzas horizontales de la cresta pueden empujarlo. Por otro lado, si es demasiado conservadora y se mantiene demasiado baja, perderá la velocidad que le confiere toda la energía que se ha acumulado en la ola. Por lo tanto, la habilidad en el surf es recorrer esa línea perfecta entre el equilibrio y la velocidad. A pesar de esta amenaza, es posible subir más alto en una ola durante un corto período de tiempo aprovechando la fuerza centrípeta, de una manera muy similar a un skater en un halfpipe como comenté en este post anterior.

Además, si la ola comienza a girar, el surfista también tendrá que aplicar su peso al lado izquierdo o derecho de la tabla para aplicar un par y girar suavemente la tabla para mantener su trayectoria a lo largo de la ola también.

¡Es increíble pensar en todo este proceso en el contexto de gravedad y flotabilidad del que hablé antes! La flotabilidad está actuando en la tabla a través de este proceso, ya que la gravedad está constantemente tratando de arrastrar al surfista al agua. En realidad, son las fuerzas hidrodinámicas de la ola las que trabajan con la fuerza de flotación, junto con la conservación del impulso, para ayudar a mantener al surfista arriba.

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Ciencia conectada: En términos físicos, ¿en qué se diferencian las tablas cortas de las tablas largas en el contexto del surf?

Trinastic: Las tablas cortas serán mucho más fáciles de girar en el agua en comparación con las tablas largas. Esta diferencia se debe a un concepto físico conocido como momento de inercia. La inercia describe lo difícil que es cambiar los movimientos de algo una vez que ha comenzado a moverse. Las tablas largas tienen mucha más masa lejos del eje de rotación de la tabla, y esto crea mucha más inercia para resistir un cambio de dirección que un surfista está tratando de hacer.

Aunque las tablas largas pueden no ser tan ágiles, alcanzan velocidades más altas que las tablas cortas, principalmente porque su superficie más grande proporciona más área para que el agua empuje al surfista.

Imagen destacada: US Open de Surf en Huntington Beach por Verse Photography.

Edwards, A. (2012). La ingeniería detrás del surf. Illumin, 18 (1).