surferii par să danseze pe valurile oceanului, dar ce îi ține pe linia de plutire sau în mișcare? Să explorăm fizica la joc în surfing.

de Jonathan Trinastic

surferii care prind valul perfect se bazează pe ani de experiență și intuiție învățată pentru a naviga printr-un tunel de apă. Dar surfingul poate fi văzut și ca un minuet constant al unui surfer, cu zeci de forțe în schimbare care amenință să se prăbușească chiar și pe cei mai experți în valurile care se prăbușesc. Să explorăm cele mai importante forțe în joc pentru a înțelege acest dans unic cu apă pe care atât de mulți îl iubesc.

RELATED: știința SKATEBOARDING-ului: fizica pe jumătate de țeavă

fizica navigării

știință conectat: când surferii așteaptă valul potrivit, pot lăsa alte valuri să treacă sub ele. Ce forțe sunt în joc?

Dr. Ionatan Trinastic: Navigarea cuprinde multe principii fizice-gravitația, flotabilitatea, cuplul și valurile. Vom intra în fizica valurilor puțin mai târziu, dar gândirea la cineva care stă pe o placă de surf este o oportunitate excelentă de a introduce primele trei concepte și modul în care acestea afectează capacitatea unui surfer de a controla placa.

Imaginați-vă un surfer care stă în centrul direct al plăcii de surf. Două forțe majore sunt în joc: gravitația, care trage surferul și placa în jos, și forța plutitoare, care împinge de fapt placa de surf plutitoare în direcția opusă. Suntem cu toții familiarizați cu forța gravitației care ne ține pe pământ. Cea mai importantă idee despre gravitație, în acest caz, este că este mai puternică atunci când acționează asupra a ceva cu mai multă masă.

flotabilitatea, pe de altă parte, nu este la fel de intuitivă. Gândește-te la Rățușca de cauciuc cu care te-ai fi jucat când erai copil, plutind în cadă. Când așezăm rața în apă, aceasta se scufundă parțial, dar nu se scufundă până la fund. De ce este asta? Pe măsură ce rața începe să se scufunde, simte o presiune mai ascendentă din apa mai adâncă din cadă. Deoarece rața este fabricată din material ușor, cu densitate scăzută, această presiune ascendentă depășește în cele din urmă gravitația și împiedică rața să se scufunde. Obiecte mai dense, cum ar fi o minge medicament sau greutăți ar scufunda la partea de jos, deoarece forța de gravitație pe ea este mult mai puternică decât forța flotantă în sus din apă.

înrudite: surferii ridică slăbiciunea pentru a monitoriza apa

aceeași logică se aplică plăcilor de surf. Placa de surf ușoară este proiectată într-un mod foarte specific, astfel încât forța plutitoare ascendentă care acționează asupra ei este mai mare decât forța gravitației care acționează în jos, permițându-i să plutească. Acum, adăugați surferul deasupra centrului plăcii. Dacă surferul este staționar, forța gravitațională care acționează asupra ei pentru a o trage în jos va depăși probabil forța plutitoare de pe tablă, iar surferul și placa se vor scufunda. Cu toate acestea, în timp ce un surfer așteaptă valul potrivit, probabil că se mișcă prin apă, iar valurile se ridică continuu și cad sub ea. Apa care se deplasează pe fundul plăcii creează multe forțe ascendente suplimentare (numite forțe hidrodinamice) care mențin surferul pe linia de plutire, mai degrabă decât să se rostogolească în apă. Există o mulțime de alte principii fizice interesante la locul de muncă aici, cum ar fi conservarea impuls, care ajuta, de asemenea, pentru a preveni surferi de la scufundarea în ocean.

știința conectată: în termeni fizici, cum pot surferii să mențină echilibrul atunci când se ridică deasupra plăcilor lor?

Trinastic: cuplul este cheia pentru a înțelege modul în care surferii mențin controlul. După cum am menționat mai devreme, apa se ondulează constant sub placa de surf, ceea ce creează forțe hidrodinamice variabile și imprevizibile suplimentare care acționează asupra tuturor părților plăcii. Dacă surferul se află în centrul plăcii, atunci gravitația o trage în jos din Centrul ei de masă. În mod similar, dacă placa de surf este direct orizontală, forța plutitoare acționează în sus în centrul plăcii. Cu alte cuvinte, gravitația și flotabilitatea acționează în direcții opuse în aceeași locație. Acum, să presupunem că o grămadă de apă împinge brusc partea din spate a plăcii, departe de centru. Această forță din apă face ca placa să dorească să se rotească, amenințând să arunce surferul în apă. Orice forță care creează o tendință de rotire ca aceasta este cunoscută sub numele de cuplu.

un surfer se luptă constant cu atacuri și cupluri trecătoare din cauza mișcării haotice a valurilor care împing placa de surf din toate părțile. Pentru a le contracara, surferul trebuie să învețe să-și aplice greutatea în anumite direcții și locații pentru a crea un cuplu în direcția opusă celei a valurilor, pentru a (în general) anula forțele de rotație și pentru a evita obținerea unei fețe pline de apă.

știință conectată: ce se întâmplă când un surfer stă lângă partea din față sau din spate a plăcii?

Trinastic: până acum, am descris doar un surfer stând în centrul tablei, caz în care centrul ei de masă indică direct în jos, în opoziție cu forța ascendentă ascendentă care acționează pe o placă orizontală. Lucrurile devin mai complicate atunci când persoana se îndepărtează de centru, dar acest lucru este esențial pentru frânarea și reglarea vitezei. De îndată ce surferul se deplasează spre spate, de exemplu, forța ei gravitațională se îndepărtează acum de centru și indică în jos de marginea din spate. Această schimbare în locația forței creează un cuplu și rotește partea din spate a plăcii în apă. Pe măsură ce se întâmplă acest lucru, mai mult din partea din spate a plăcii este acum scufundată, ceea ce schimbă complet puterea forței de flotabilitate și o mută înapoi în partea nou scufundată a plăcii. Această reajustare continuă până când forța gravitațională și forța plutitoare se echilibrează în general, eliminând cuplul, dar lăsând acum o nouă formă de echilibru—cu capătul din spate al plăcii scufundat și partea din față în afara apei. Această configurație este utilă pentru frânare, deoarece placa se scufundă acum vertical în apă, ceea ce crește rezistența la curgerea apei. Gândiți-vă la scufundarea mâinii într-un râu perpendicular pe fluxul de apă. Probabil ai simțit că apa s-a deviat spre părțile laterale ale mâinii tale. Același efect se întâmplă și cu capătul din spate al plăcii de surf și ajută la încetinirea surferului.

aceeași idee poate fi aplicată dacă surferul se deplasează în partea din față a plăcii. În acest caz, forța de flotabilitate se va deplasa înainte pentru a echilibra forța gravitațională la marginea din față. Principii similare ar permite rotirea prin deplasarea greutății în partea stângă sau dreaptă a plăcii.

știința conectată: ce este un val? Ce forțe creează valuri în apă? Și ce influențează viteza acestor valuri?

Trinastic: o undă poate fi un fenomen foarte dificil de definit, deoarece descrie o mișcare printr-un material, nu Materialul în sine. Gândiți-vă la un șir atașat la un perete. Șirul nu este un val, dar un val este creat dacă leagăn celălalt capăt al frânghiei în sus și în jos într-un model consistent. Energia pe care o folosesc pentru a-mi balansa brațul este transferată pe frânghie și transmite un val de la mâna mea la perete și înapoi la mine. Prin urmare, valul conține energie care este transmisă printr-un material, în acest caz, coarda.

același lucru este valabil și pentru valurile din ocean. Vântul de mare viteză se freacă în esență de suprafața apei. Această frecare transferă energia de la moleculele de aer cu mișcare rapidă către moleculele de apă. Mărimea valului este determinată de mulți factori, inclusiv viteza vântului și „preluarea” sau zona peste care bate vântul. Pe măsură ce această zonă crește, mai multă energie poate fi transferată de la vânt la apă, creând o creastă de undă mult mai mare.

punctul major aici este că o undă este o formă de transmitere a energiei. Oceanul este mediul de transmisie în acest caz, iar valurile de apă sunt create ca urmare a transferului de energie de la vântul care suflă pe suprafață.

știința conectată: cum prinde un surfer un val?

Trinastic: să începem cu un val care vine spre un surfer întins pe placa ei. Surferul începe să vâslească spre val pentru a ridica viteza. Aceasta este doar a treia lege a lui Newton, care spune că forța surferului care împinge apa înapoi va crea o reacție egală și opusă pentru a împinge surferul spre val.

la fel cum surferul lovește fundul valului, ar trebui să înceapă să simtă apa împingând înainte și în sus. Această forță hidrodinamică o va împinge înainte, oferindu-i viteză în timp ce sare până la o ghemuire joasă pentru a urma valul. În plus față de forța hidrodinamică principală care o împinge acum în sus și înainte, multe forțe mai mici din schimbările minuscule ale fluxului de apă vor necesita ca surferul să-și reajusteze constant greutatea pentru a-și menține echilibrul.

ea este de echitatie val! Dar acum creasta valului va continua să crească din ce în ce mai sus pe măsură ce se apropie de țărm, creând mai multe forțe hidrodinamice care vor să împingă surferul lateral. Dacă surferul urcă prea sus pe val, aceste forțe orizontale de pe creastă o pot împinge. Pe de altă parte, dacă este prea conservatoare și rămâne prea scăzută, va pierde viteza conferită de toată energia acumulată în Val. Deci, abilitatea în surfing este de a merge pe acea linie perfectă între echilibru și viteză. În ciuda acestei amenințări, este posibil să călătorești mai sus într-un val pentru o perioadă scurtă de timp, folosind forța centripetă, într-un mod foarte asemănător cu un skateboarder pe o jumătate de țeavă, așa cum am discutat în acest post anterior.

de asemenea, dacă valul începe să se întoarcă, surferul va trebui, de asemenea, să-și aplice greutatea pe partea stângă sau dreaptă a plăcii pentru a aplica un cuplu și a întoarce ușor placa pentru a-și menține calea de-a lungul valului.

este incredibil să ne gândim la acest întreg proces în contextul gravitației și flotabilității despre care am vorbit mai devreme! Flotabilitatea acționează pe tablă prin acest proces, deoarece gravitația încearcă în mod constant să tragă surferul în apă. Este într-adevăr forțele hidrodinamice din val care lucrează cu forța plutitoare, împreună cu conservarea impulsului, pentru a ajuta la menținerea surferului în sus.

RELATED: știința de SLOSHING: de ce spuma este importantă

știință conectat: în termeni de fizică, cum diferă plăcile scurte de plăcile lungi în contextul navigării?

Trinastic: plăcile scurte vor fi mult mai ușor de transformat în apă în comparație cu plăcile lungi. Această diferență se datorează unui concept fizic cunoscut sub numele de moment de inerție. Inerția descrie cât de dificil este să schimbi mișcările unui lucru odată ce acesta a început să se miște. Plăcile lungi au mult mai multă masă departe de axa de rotație a plăcii, iar acest lucru creează mult mai multă inerție pentru a rezista unei schimbări de direcție pe care un surfer încearcă să o facă.

deși plăcile lungi pot să nu fie la fel de Agile, ele ating viteze mai mari decât plăcile scurte, în principal pentru că suprafața lor mai mare oferă mai multă suprafață pentru ca apa să împingă surferul.

recomandate imagine: US Open de Surfing la Huntington Beach de versuri fotografie.

Edwards, A. (2012). Ingineria din spatele surfingului. Iluminat, 18(1).