surfare verkar dansa på havsvågor, men vad håller dem flytande eller rörliga? Låt oss utforska fysiken som spelas i surfing.

av Jonathan Trinastic

Surfers fånga den perfekta vågen lita på många års erfarenhet och lärt intuition för att navigera genom en cresting tunnel av vatten. Men surfing kan också ses som en surfares ständiga minuet med dussintals förändrade krafter som hotar att tumla även de mest experter i de kraschande vågorna. Låt oss utforska de viktigaste krafterna som spelas för att förstå denna unika dans med vatten som så många älskar.

relaterad: vetenskapen om SKATEBOARDING: HALF-PIPE fysik

fysiken för Surfing

Science Connected: när surfare väntar på rätt våg kan de låta andra vågor passera under dem. Vilka krafter är på spel?

Dr. Jonathan Trinastic: Surfing omfattar många fysiska principer-gravitation, flytkraft, vridmoment och vågor. Vi kommer in i vågfysik lite senare, men att tänka på någon som står på en surfbräda är ett utmärkt tillfälle att introducera de tre första koncepten och hur de påverkar en surfares förmåga att styra brädet.

Föreställ dig en surfare som står i direkt centrum av surfbrädan. Två stora krafter är på spel: gravity, som drar surfaren och brädet ner, och den flytande kraften, som faktiskt skjuter upp den flytande surfbrädan i motsatt riktning. Vi är alla bekanta med tyngdkraften som håller oss på marken. Den viktigaste tanken om gravitation är i detta fall att den är starkare när man agerar på något med mer massa.

flytkraft är å andra sidan inte lika intuitiv. Tänk på gummi ducky du kanske har spelat med som barn, flytande i badkaret. När vi placerar ankan i vattnet sjunker den delvis men sjunker inte hela vägen till botten. Varför är det så? När ankan börjar sjunka känns det mer uppåtriktat tryck från det djupare vattnet i badkaret. Eftersom ankan är tillverkad av lättviktigt material med låg densitet, övermannar detta uppåtgående tryck så småningom tyngdkraften och hindrar ankan från att sjunka. Tätare föremål som en medicinboll eller vikter skulle sjunka till botten eftersom tyngdkraften på den är mycket starkare än den uppåtgående flytande kraften från vattnet.

relaterat: surfare plockar upp slacken för att övervaka vatten

samma logik gäller surfbrädor. Den lätta surfbrädan är utformad på ett mycket specifikt sätt, så att den uppåtgående flytande kraften som verkar på den är större än tyngdkraften som verkar ner, så att den kan flyta. Lägg nu till surfaren ovanpå mitten av brädet. Om surfaren är stillastående kommer tyngdkraften som verkar på henne för att dra ner henne sannolikt att övervinna den flytande kraften på brädet, och surfaren och brädet sjunker. Men som en surfare väntar på rätt våg, rör hon sig förmodligen genom vattnet, och vågorna stiger kontinuerligt och faller under henne. Vattnet som rör sig över botten av brädet skapar många ytterligare uppåtgående krafter (kallade hydrodynamiska krafter) som håller surfaren flytande snarare än att tumla i vattnet. Det finns många andra intressanta fysiska principer på jobbet här, som bevarande av momentum, som också hjälper till att förhindra att surfare sjunker i havet.

Science Connected: i fysik termer, hur kan surfare upprätthålla balans när de står upp ovanpå sina brädor?

Trinastic: vridmoment är nyckeln till att förstå hur surfare behåller kontrollen. Som jag nämnde tidigare är vatten ständigt böljande under surfbrädan, vilket skapar ytterligare varierande och oförutsägbara hydrodynamiska krafter som verkar på alla delar av brädet. Om surfaren är i mitten av brädet, drar tyngdkraften ner henne från hennes masscentrum. På samma sätt, om surfbrädan är direkt horisontell, verkar den flytande kraften uppåt i mitten av brädet. Med andra ord verkar gravitation och flytkraft i motsatta riktningar på samma plats. Låt oss nu säga att en ström av vatten plötsligt skjuter upp baksidan av brädet, långt från mitten. Denna kraft från vattnet får brädet att vilja rotera och hotar att kasta surfaren i vattnet. Varje kraft som skapar en tendens att rotera så här kallas ett vridmoment.

en surfare kämpar ständigt med attackerande och flyktiga vridmoment på grund av den kaotiska rörelsen av vågor som skjuter surfbrädan från alla sidor. För att motverka dessa måste surfaren lära sig att applicera sin vikt i särskilda riktningar och platser för att skapa vridmoment i motsatt riktning som vågorna, för att (i allmänhet) avbryta rotationskrafterna och undvika att få ett ansikte fullt av vatten.

Science Connected: vad händer när en surfare står nära framsidan eller baksidan av brädet?

Trinastic: hittills har jag bara beskrivit en surfare som står i mitten av brädet, i vilket fall hennes masscentrum pekar direkt nedåt, i motsats till den uppåtgående flytande kraften som verkar på ett horisontellt bräde. Saker blir mer komplicerade när personen rör sig bort från mitten, men detta är avgörande för bromsning och justering av hastighet. Så snart surfaren flyttar till baksidan, till exempel, skiftar hennes gravitationskraft nu bort från mitten och pekar nedåt från bakkanten. Denna förskjutning i kraftens läge skapar ett vridmoment och roterar baksidan av brädet i vattnet. När detta händer är mer av baksidan av brädet nu nedsänkt, vilket helt förändrar styrkan hos flytkraften och förskjuter den tillbaka till den nyligen nedsänkta delen av brädet. Denna justering fortsätter tills gravitationskraften och den flytande kraften i allmänhet balanserar ut, tar bort vridmomentet men lämnar nu en ny form av jämvikt—med den bakre änden av brädet nedsänkt och den främre delen ur vattnet. Denna inställning är till hjälp för bromsning, eftersom styrelsen nu doppa vertikalt i vattnet, vilket ökar motståndet mot vattenflödet. Tänk på att doppa handen i en flod vinkelrätt mot vattenflödet. Du kände förmodligen att vattnet avböjdes till sidorna av din hand. Samma effekt händer med baksidan av surfbrädan och hjälper till att sakta ner surfaren.

samma ide kan tillämpas om surfaren flyttar till framsidan av brädet. I detta fall kommer flytkraften att flytta framåt för att balansera gravitationskraften vid framkanten. Liknande principer skulle möjliggöra vridning genom att flytta vikt till vänster eller höger sida av brädet.

vetenskap ansluten: Vad är en våg? Vilka krafter skapar vågor i vatten? Och vad påverkar hastigheten på dessa vågor?

Trinastic: en våg kan vara ett mycket svårt fenomen att definiera eftersom det beskriver en rörelse genom ett material, inte själva materialet. Tänk på en sträng fäst vid en vägg. Strängen är inte en våg, men en våg skapas om jag svänger den andra änden av repet upp och ner i ett konsekvent mönster. Energin jag använder för att svänga min arm överförs till repet och överför en våg från min hand till väggen och tillbaka till mig. Därför innehåller vågen energi som överförs genom ett material, i detta fall repet.

detsamma gäller för vågor i havet. Höghastighetsvind gnider väsentligen mot vattnets yta. Denna friktion överför energi från de snabbt rörliga luftmolekylerna till vattenmolekylerna. Vågens storlek bestäms av många faktorer, inklusive vindhastigheten och ”hämta” eller det område över vilket vinden blåser. När detta område ökar kan mer energi överföras från vinden till vattnet, vilket skapar en mycket större vågvapen.

huvudpunkten här är att en våg är en form av energiöverföring. Havet är det sändande mediet i detta fall, och vattenvågor skapas som ett resultat av att energi överförs från vind som blåser över ytan.

Science Connected: hur fångar en surfare en våg?

Trinastic: Låt oss börja med en våg som kommer in mot en surfare som ligger på hennes bräda. Surfaren börjar paddla mot vågen för att ta fart. Detta är bara Newtons tredje lag, som säger att surfarens kraft som trycker tillbaka vattnet kommer att skapa en lika och motsatt reaktion för att driva surfaren mot vågen.

precis som surfaren träffar vågens botten bör hon börja känna vattnet driva framåt och uppåt. Denna hydrodynamiska kraft kommer att driva henne framåt, vilket ger henne fart när hon hoppar upp till en låg crouch för att följa vågen. Förutom den huvudsakliga hydrodynamiska kraften som nu driver henne upp och framåt, kommer många mindre krafter från små skift i vattenflödet att kräva att surfaren ständigt justerar sin vikt för att hålla balansen.

hon rider på vågen! Men nu kommer vågens topp att fortsätta stiga högre och högre när den rör sig närmare stranden, vilket skapar mer hydrodynamiska krafter som vill driva surfaren i sidled. Om surfaren rider för högt upp på vågen kan dessa horisontella krafter från vapnet skjuta henne över. Å andra sidan, om hon är för konservativ och förblir för låg, kommer hon att förlora den hastighet som tilldelats henne av all energi som har ackumulerats i vågen. Så färdigheten i surfing är att rida den perfekta linjen mellan balans och hastighet. Trots detta hot är det möjligt att rida högre upp i en våg under en kort tid genom att utnyttja centripetalkraften, på ett sätt som mycket liknar en skateboarder på en halvpipe som jag diskuterade i detta tidigare inlägg.

om vågen börjar vända måste surfaren också applicera sin vikt på vänster eller höger sida av brädet för att applicera ett vridmoment och vrid försiktigt brädet för att behålla sin väg längs vågen också.

det är otroligt att tänka på hela denna process i samband med gravitation och flytkraft jag pratade om tidigare! Flytkraft agerar på brädet genom denna process, eftersom tyngdkraften ständigt försöker dra surfaren i vattnet. Det är verkligen de hydrodynamiska krafterna från vågen som arbetar med den flytande kraften, tillsammans med bevarande av momentum, för att hålla surfaren uppe.

relaterad: vetenskapen om SLOSHING: varför skum är viktigt

Science Connected: i fysik termer, hur skiljer sig korta brädor från långa brädor i samband med surfing?

Trinastic: korta brädor blir mycket lättare att vända i vattnet jämfört med långa brädor. Denna skillnad beror på ett fysiskt koncept som kallas tröghetsmoment. Tröghet beskriver hur svårt det är att ändra något rörelser när det har börjat röra sig. Långa brädor har mycket mer massa långt från brädans rotationsaxel, och detta skapar mycket mer tröghet för att motstå en riktningsförändring som en surfare försöker göra.

även om långa brädor kanske inte är lika smidiga, når de högre hastigheter än korta brädor, främst för att deras större yta ger mer yta för vatten för att driva surfaren längs.

Dagens bild: US Open av Surfing på Huntington Beach av vers Photography.

Edwards, A. (2012). Tekniken bakom surfing. Illumin, 18 (1).