surferzy wydają się tańczyć na falach oceanu, ale co trzyma ich na powierzchni lub w ruchu? Przyjrzyjmy się fizyce w surfingu.

Jonathan Trinastic

surferzy łapający idealną falę polegają na wieloletnim doświadczeniu i wyuczonej intuicji, aby poruszać się po pękającym tunelu wody. Ale surfing można również postrzegać jako stały Menuet surfera z dziesiątkami zmieniających się sił, które grożą przewróceniem się nawet najbardziej doświadczonych w rozbijających się falach. Zbadajmy najważniejsze siły w grze, aby zrozumieć ten wyjątkowy taniec z wodą, który tak wielu kocha.

RELATED: nauka jazdy na deskorolce: fizyka HALF-PIPE ’ a

Fizyka surfingu

Science Connected: kiedy surferzy czekają na odpowiednią falę, mogą pozwolić innym falom przejść pod nimi. Jakie siły są w grze?

Dr Jonathan Trinastic: Surfing obejmuje wiele zasad fizycznych-grawitację, pływalność, moment obrotowy i fale. Trochę później zajmiemy się fizyką fal, ale myślenie o kimś stojącym na desce surfingowej to świetna okazja, aby przedstawić pierwsze trzy koncepcje i ich wpływ na zdolność surfera do kontrolowania planszy.

wyobraź sobie surfera stojącego w bezpośrednim centrum deski surfingowej. Dwie główne siły są w grze: grawitacja, która ściąga surfera i deskę w dół, i siła pływająca, która popycha pływającą deskę surfingową w przeciwnym kierunku. Wszyscy znamy siłę grawitacji, która utrzymuje nas na ziemi. Najważniejszą ideą dotyczącą grawitacji, w tym przypadku, jest to, że jest silniejsza, gdy działa na coś o większej masie.

Wyporność z drugiej strony nie jest tak intuicyjna. Pomyśl o gumowej kaczuszce, którą mogłeś bawić jako dziecko, unosząc się w wannie. Kiedy umieszczamy kaczkę w wodzie, częściowo zanurza się, ale nie tonie aż do dna. Dlaczego? Gdy kaczka zaczyna tonąć, czuje większy nacisk w górę z głębszej wody w wannie. Ponieważ kaczka jest wykonana z lekkiego materiału o niskiej gęstości, to ciśnienie w górę ostatecznie obezwładnia grawitację i zapobiega zatonięciu kaczki. Gęstsze obiekty, takie jak piłka lekarska lub ciężarki, opadają na dno, ponieważ siła grawitacji na nią jest znacznie silniejsza niż siła wyporności w górę z wody.

RELATED: SURFERS PICK UP the SLACK to MONITOR wody

ta sama logika dotyczy desek surfingowych. Lekka deska surfingowa została zaprojektowana w bardzo specyficzny sposób, tak że działająca na nią Siła wyporności w górę jest większa niż siła grawitacji działająca w dół, co pozwala jej pływać. Teraz dodaj surfera na środku planszy. Jeśli surfer jest nieruchomy, siła grawitacji działająca na nią, aby pociągnąć ją w dół, prawdopodobnie przezwycięży siłę pływającą na planszy, a surfer i plansza zatoną. Jednak gdy surfer czeka na odpowiednią falę, prawdopodobnie porusza się w wodzie, a fale nieustannie się pod nią wznoszą i opadają. Woda poruszająca się po dnie planszy tworzy wiele dodatkowych sił wznoszących (zwanych siłami hydrodynamicznymi), które utrzymują surfera na powierzchni, a nie wpadają do wody. Istnieje wiele innych interesujących zasad fizycznych, takich jak zachowanie pędu, które również pomagają zapobiegać zatopieniu się surferów w oceanie.

Science Connected: w fizyce, w jaki sposób surferzy mogą zachować równowagę, gdy stoją na deskach?

Trinastic: moment obrotowy jest kluczem do zrozumienia, w jaki sposób surferzy zachowują kontrolę. Jak wspomniałem wcześniej, pod deską surfingową woda nieustannie pofałduje się, co tworzy dodatkowe zmienne i nieprzewidywalne siły hydrodynamiczne działające na wszystkie części deski. Jeśli surfer znajduje się w środku planszy, to grawitacja ściąga ją ze środka masy. Podobnie, jeśli deska surfingowa jest bezpośrednio pozioma, Siła pływająca działa w górę na środku deski. Innymi słowy, grawitacja i wyporność działają w przeciwnych kierunkach w tym samym miejscu. Powiedzmy, że przypływ wody nagle popycha tył planszy, daleko od środka. Ta siła z wody powoduje, że deska chce się obracać, grożąc wrzuceniem surfera do wody. Każda siła, która tworzy tendencję do obracania się w ten sposób, jest znana jako moment obrotowy.

surfer nieustannie walczy z atakami i przelotnymi momentami z powodu chaotycznego ruchu fal spychających deskę surfingową ze wszystkich stron. Aby temu przeciwdziałać, surfer musi nauczyć się stosować swoją wagę w określonych kierunkach i miejscach, aby wytworzyć moment obrotowy w przeciwnym kierunku niż fale, aby (ogólnie) anulować siły obrotowe i uniknąć uzyskania twarzy pełnej wody.

Nauka połączona: co się dzieje, gdy surfer stoi z przodu lub z tyłu planszy?

do tej pory opisałem tylko surfera stojącego na środku planszy, w którym to przypadku jej środek masy wskazuje bezpośrednio w dół, w opozycji do siły pływającej działającej na planszę poziomą. Sprawy stają się bardziej skomplikowane, gdy osoba oddala się od środka, ale ma to kluczowe znaczenie dla hamowania i regulacji prędkości. Jak tylko surfer przesunie się do tyłu, na przykład, jej siła grawitacyjna przesuwa się teraz Od środka i kieruje się w dół od tylnej krawędzi. To przesunięcie położenia siły tworzy moment obrotowy i obraca tył płyty do wody. W miarę tego, większa część tylnej części planszy jest teraz zanurzona, co całkowicie zmienia siłę wyporu i przenosi ją z powrotem do nowo zanurzonej części planszy. Ta regulacja trwa do momentu, gdy siła grawitacji i siła wyporu generalnie się równoważą, usuwając moment obrotowy, ale teraz pozostawiając nową formę równowagi – z tylnym końcem deski zanurzonej i przednią częścią z wody. Ta konfiguracja jest pomocna przy hamowaniu, ponieważ deska zanurza się pionowo w wodzie, co zwiększa odporność na przepływ wody. Pomyśl o zanurzeniu ręki w rzece prostopadłej do przepływu wody. Pewnie czułeś, że woda odbija się od boków twojej dłoni. Ten sam efekt występuje z tylnym końcem deski surfingowej i pomaga spowolnić surfera.

ten sam pomysł można zastosować, jeśli surfer przesunie się do przodu planszy. W tym przypadku siła wyporu przesunie się do przodu, aby zrównoważyć siłę grawitacji na przedniej krawędzi. Podobne zasady pozwoliłyby na obracanie się poprzez przesunięcie ciężaru na lewą lub prawą stronę deski.

Nauka połączona: co to jest fala? Jakie siły tworzą fale w wodzie? A co wpływa na prędkość tych fal?

trinastic: fala może być zjawiskiem bardzo trudnym do zdefiniowania, ponieważ opisuje ruch przez materiał, a nie sam materiał. Pomyśl o sznurku przymocowanym do ściany. Sznurek nie jest falą, ale falą powstaje, jeśli przechylę drugi koniec liny w górę iw dół w spójny wzór. Energia, której używam do machania ręką, jest przenoszona na linę i przenosi falę z mojej ręki na ścianę i z powrotem do mnie. Dlatego fala zawiera energię, która jest przekazywana przez materiał, w tym przypadku linę.

to samo dotyczy fal w oceanie. Szybki wiatr zasadniczo ociera się o powierzchnię wody. To tarcie przenosi energię z szybko poruszających się cząsteczek powietrza do cząsteczek wody. Wielkość fali zależy od wielu czynników, w tym Prędkości Wiatru i „fetch” lub obszaru, nad którym wieje wiatr. Wraz ze wzrostem tego obszaru, więcej energii może być przenoszone z wiatru do wody, tworząc znacznie większy grzbiet fali.

najważniejsze jest to, że fala jest formą przekazywania energii. Ocean jest medium transmisyjnym w tym przypadku, a fale wodne powstają w wyniku przenoszenia energii z wiatru wiejącego po powierzchni.

Nauka połączona: jak surfer łapie falę?

Zacznijmy od fali zbliżającej się do leżącego na desce surfera. Surfer zaczyna wiosłować w kierunku fali, aby nabrać prędkości. To jest tylko trzecie prawo Newtona, które mówi, że siła surfera odpychająca wodę z powrotem stworzy równą i przeciwną reakcję, aby popchnąć surfera w kierunku fali.

gdy surfer uderza w dno fali, powinna zacząć czuć, jak woda popycha do przodu i do góry. Ta siła hydrodynamiczna popchnie ją do przodu, dając jej prędkość, gdy skoczy do niskiego przykucnięcia, aby podążać za falą. Oprócz głównej siły hydrodynamicznej, która teraz popycha ją do góry i do przodu, wiele mniejszych sił z minutowych zmian przepływu wody będzie wymagało od surfera ciągłego dostosowywania wagi, aby utrzymać równowagę.

jedzie na fali! Ale teraz grzbiet fali będzie nadal podnosił się coraz wyżej, gdy zbliży się do brzegu, tworząc więcej sił hydrodynamicznych, które chcą popchnąć surfera na boki. Jeśli surfer jedzie zbyt wysoko na fali, te poziome siły z grzebienia mogą ją zepchnąć. Z drugiej strony, jeśli jest zbyt konserwatywna i pozostanie zbyt niska, straci prędkość nadaną jej przez całą energię, która nagromadziła się w fali. Umiejętność surfowania polega więc na pokonywaniu idealnej linii między równowagą a prędkością. Pomimo tego zagrożenia, można jeździć wyżej w fali przez krótki czas, wykorzystując siłę dośrodkową, w sposób bardzo podobny do skateboardera na halfpipe ’ ie, o którym mówiłem w tym poprzednim poście.

ponadto, jeśli fala zacznie się obracać, surfer będzie musiał również przyłożyć swoją wagę do lewej lub prawej strony planszy, aby zastosować moment obrotowy i delikatnie obrócić planszę, aby utrzymać jej ścieżkę wzdłuż fali.

to niesamowite myśleć o tym całym procesie w kontekście grawitacji i pływalności, o których mówiłem wcześniej! Wyporność działa na desce przez ten proces, ponieważ grawitacja nieustannie próbuje wciągnąć surfera do wody. To siły hydrodynamiczne fali działają z siłą wyporności, wraz z zachowaniem pędu, aby utrzymać surfera w górze.

RELATED: nauka SLOSHING: dlaczego piana jest ważna

Nauka Connected: z punktu widzenia fizyki, czym różnią się krótkie deski od długich deski w kontekście surfowania?

Trinastic: krótkie deski będą znacznie łatwiejsze do obracania w wodzie w porównaniu z długimi deskami. Różnica ta wynika z fizycznej koncepcji znanej jako moment bezwładności. Bezwładność opisuje, jak trudno jest zmienić ruchy czegoś, gdy już się porusza. Długie deski mają o wiele większą masę daleko od osi obrotu deski, a to tworzy o wiele więcej bezwładności, aby oprzeć się zmianie kierunku, który surfer próbuje zrobić.

chociaż długie deski mogą nie być tak zwinne, osiągają wyższe prędkości niż krótkie deski, głównie dlatego, że ich większa powierzchnia zapewnia więcej miejsca na wodę, aby popchnąć surfera.

wyróżnione zdjęcie: US Open of Surfing at Huntington Beach By Verse Photography.

Inżynieria stojąca za surfingiem. Illumin, 18(1)