Surfistas parecem estar dançando sobre as ondas do oceano, mas o que os mantém à tona ou em movimento? Vamos explorar a física em jogo no surf.

por Jonathan Trinastic

surfistas pegando a onda perfeita dependem de anos de experiência e intuição aprendida para navegar por um túnel de água. Mas o surf também pode ser visto como o minueto constante de um surfista com dezenas de forças em mudança que ameaçam cair até mesmo o mais especialista nas ondas que caem. Vamos explorar as forças mais importantes em jogo para entender essa dança única com água que tantos amam.

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the Physics of Surfing

Science Connected: quando os surfistas esperam a onda certa, eles podem deixar outras ondas passarem por baixo deles. Quais forças estão em jogo?

Dr. Jonathan Trinastic: O surf abrange muitos princípios físicos-gravidade, flutuabilidade, torque e ondas. Entraremos na física das ondas um pouco mais tarde, mas pensar em alguém em pé em uma prancha de surf é uma ótima oportunidade para introduzir os três primeiros conceitos e como eles afetam a capacidade de um surfista de controlar a prancha.

Imagine um surfista em pé no centro direto da prancha. Duas forças principais estão em jogo: gravidade, que puxa o surfista e a prancha para baixo, e a força flutuante, que na verdade empurra a prancha flutuante para cima na direção oposta. Estamos todos familiarizados com a força da gravidade que nos mantém no chão. A ideia mais importante sobre a gravidade, neste caso, é que ela é mais forte ao atuar em algo com mais massa.A flutuabilidade, por outro lado, não é tão intuitiva. Pense no patinho de borracha com o qual você pode ter brincado quando criança, flutuando na banheira. Quando colocamos o pato na água, ele submerge parcialmente, mas não afunda até o fundo. Porquê? À medida que o pato começa a afundar, ele sente mais pressão ascendente da água mais profunda na banheira. Como o pato é feito de material leve e de baixa densidade, essa pressão ascendente eventualmente supera a gravidade e evita que o pato afunde. Objetos mais densos, como uma bola de remédios ou pesos, afundariam no fundo porque a força da gravidade é muito mais forte do que a força flutuante ascendente da água.

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essa mesma lógica se aplica às pranchas de surf. A prancha de surf leve é projetada de uma forma muito específica, de modo que a força flutuante ascendente que atua sobre ela é maior do que a força da gravidade que atua para baixo, permitindo que ela flutue. Agora, adicione o surfista em cima do centro do tabuleiro. Se o surfista estiver parado, a força da gravidade agindo sobre ela para puxá-la para baixo provavelmente superará a força flutuante na prancha, e o surfista e a prancha afundarão. No entanto, como um surfista está esperando a onda certa, ela provavelmente está se movendo pela água, e as ondas estão continuamente subindo e caindo sob ela. A água que se move pelo fundo do tabuleiro cria muitas forças ascendentes adicionais (chamadas forças hidrodinâmicas) que mantêm o surfista à tona em vez de cair na água. Há muitos outros princípios físicos interessantes no trabalho aqui, como a conservação do momento, que também ajudam a evitar que os surfistas afundem no oceano.

Ciência conectada: em termos de física, como os surfistas podem manter o equilíbrio quando se levantam em cima de suas pranchas?Trinastic: Torque é a chave para entender como os surfistas mantêm o controle. Como mencionei anteriormente, a água está constantemente ondulando sob a prancha de surf, o que cria forças hidrodinâmicas adicionais variáveis e imprevisíveis que atuam em todas as partes da prancha. Se o surfista estiver no centro da prancha, a gravidade a puxa para baixo de seu centro de massa. Da mesma forma, se a prancha for diretamente horizontal, a força flutuante atua para cima no centro da prancha. Em outras palavras, a gravidade e a flutuabilidade atuam em direções opostas no mesmo local. Agora, digamos que uma onda de água de repente empurre a parte de trás do tabuleiro, longe do centro. Essa força da água faz com que a prancha queira girar, ameaçando jogar o surfista na água. Qualquer força que crie uma tendência a girar assim é conhecida como torque.

um surfista está constantemente lutando contra torques atacantes e fugazes por causa do movimento caótico das ondas empurrando a prancha de todos os lados. Para combatê-los, o surfista deve aprender a aplicar seu peso em direções e locais específicos para criar torque na direção oposta à das ondas, para (Geralmente) cancelar as forças rotacionais e evitar ficar com o rosto cheio de água.

Ciência conectada: o que acontece quando um surfista fica perto da frente ou atrás do tabuleiro?Trinastic: até agora, eu só descrevi um surfista em pé no centro da placa, caso em que seu centro de pontos de massa diretamente para baixo, em oposição à força flutuante ascendente agindo em uma placa horizontal. As coisas ficam mais complicadas quando a pessoa se afasta do centro, mas isso é fundamental para frear e ajustar a velocidade. Assim que o surfista se move para trás, por exemplo, sua força gravitacional agora se afasta do centro e aponta para baixo da borda traseira. Essa mudança na localização da força cria um torque e gira a parte de trás da placa para a água. Como isso acontece, mais da parte de trás da placa agora está submersa, o que muda completamente a força da força de flutuabilidade e a desloca de volta para a parte recém-submersa da placa. Esse reajuste continua até que a força gravitacional e a força flutuante geralmente se equilibrem, removendo o torque, mas agora deixando uma nova forma de equilíbrio—com a extremidade traseira da placa submersa e a parte frontal fora da água. Essa configuração é útil para frear, já que a placa agora está mergulhando verticalmente na água, o que aumenta a resistência ao fluxo de água. Pense em mergulhar a mão em um rio perpendicular ao fluxo de água. Você provavelmente sentiu a água desviada para os lados da sua mão. O mesmo efeito acontece com a parte de trás da prancha e ajuda a desacelerar o surfista.

a mesma ideia pode ser aplicada se o surfista se mover para a frente do tabuleiro. Nesse caso, a força de flutuabilidade mudará para a frente para equilibrar a força gravitacional na borda frontal. Princípios semelhantes permitiriam girar deslocando o peso para o lado esquerdo ou direito do tabuleiro.

Ciência conectada: o que é uma onda? Que forças criam ondas na água? E o que influencia a velocidade dessas ondas?Trinastic: uma onda pode ser um fenômeno muito difícil de definir porque descreve um movimento através de um material, não o próprio material. Pense em uma corda presa a uma parede. A corda não é uma onda, mas uma onda é criada se eu balançar a outra extremidade da corda para cima e para baixo em um padrão consistente. A energia que uso para balançar meu braço é transferida para a corda e transmite uma onda da minha mão para a parede e de volta para mim. Portanto, a onda contém energia que é transmitida através de um material, neste caso, a corda.

o mesmo acontece com as ondas no oceano. O vento de alta velocidade essencialmente esfrega contra a superfície da água. Esse atrito transfere energia das moléculas de ar em movimento rápido para as moléculas de água. O tamanho da onda é determinado por muitos fatores, incluindo a velocidade do vento e a “busca”, ou a área sobre a qual o vento está soprando. À medida que essa área aumenta, mais energia pode ser transferida do vento para a água, criando uma crista de onda muito maior.

o ponto principal aqui é que uma onda é uma forma de transmissão de energia. O oceano é o meio de transmissão neste caso, e as ondas de água são criadas como resultado da transferência de energia do vento que sopra pela superfície.

Ciência conectada: como um surfista pega uma onda?Trinastic: vamos começar com uma onda entrando em direção a um surfista deitado em sua prancha. O surfista começa a remar em direção à onda para acelerar. Esta é apenas a Terceira Lei de Newton, que diz que a força do surfista empurrando a água para trás criará uma reação igual e oposta para empurrar o surfista em direção à onda.

assim como o surfista atinge o fundo da onda, ela deve começar a sentir a água empurrar para a frente e para cima. Essa força hidrodinâmica a empurrará para frente, dando-lhe velocidade enquanto ela pula até um agachamento baixo para seguir a onda. Além da principal força hidrodinâmica agora empurrando-a para cima e para a frente, muitas forças menores de pequenos turnos no fluxo de água exigirão que o surfista reajuste constantemente seu peso para manter o equilíbrio.

ela está montando a onda! Mas agora a crista da onda continuará a subir cada vez mais à medida que se aproxima da Costa, criando mais forças hidrodinâmicas que querem empurrar o surfista para os lados. Se o surfista andar muito alto na onda, essas forças horizontais da crista podem empurrá-la. Por outro lado, se ela é muito conservadora e permanece muito baixa, ela perderá a velocidade conferida a ela por toda a energia que se acumulou na onda. Portanto, a habilidade no surf é montar essa linha perfeita entre equilíbrio e velocidade. Apesar de esta ameaça, é possível andar mais alto de uma onda por um curto período de tempo, aproveitando a força centrípeta, de uma forma muito semelhante a um skatista em um halfpipe como discutido neste post anterior.

além disso, se a onda começar a girar, o surfista também precisará aplicar seu peso no lado esquerdo ou direito da placa para aplicar um torque e girar suavemente a placa para manter seu caminho ao longo da onda também.

é incrível pensar em todo esse processo no contexto da gravidade e da flutuabilidade de que falei anteriormente! A flutuabilidade está agindo no tabuleiro através desse processo, pois a gravidade está constantemente tentando puxar o surfista para a água. São realmente as forças hidrodinâmicas da onda que trabalham com a força flutuante, juntamente com a conservação do momento, para ajudar a manter o surfista.

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Science Connected: em termos de física, como as pranchas curtas diferem das pranchas longas no contexto do surf?

Trinastic: placas curtas serão muito mais fáceis de girar na água em comparação com placas longas. Essa diferença se deve a um conceito físico conhecido como momento de inércia. Inércia descreve como é difícil mudar os movimentos de algo uma vez que ele começou a se mover. Placas longas têm muito mais massa longe do eixo de rotação da placa, e isso cria muito mais inércia para resistir a uma mudança de direção que um surfista está tentando fazer.Embora as placas longas possam não ser tão ágeis, elas atingem velocidades mais altas do que as placas curtas, principalmente porque sua superfície maior fornece mais área para a água empurrar o surfista.

imagem em destaque: US Open of Surfing at Huntington Beach By Verse Photography.

Edwards, A. (2012). A engenharia por trás do surf. Illumin, 18(1).