Физика и серфинг: не быть друг без друга

Рисунок 1. Ожидание волны

Сидя на доске, вы смотрите вдаль перед собой, ожидая появления хорошей волны на горизонте. Ваши глаза, мозг и тело научились определять правильный момент, так что вы без труда можете поймать волну и прокатиться на ней.

Пора. Вы начинаете усиленно грести, чувствуете ускорение по мере того, как надвигающаяся масса воды увеличивает вашу скорость. Вы вскакиваете на доску, удерживая равновесие, и смакуете силу волны, выполняя несколько поворотов. Когда приходит время остановиться, вы отступаете назад, надавливая на корму доски и утопляя ее под воду.

Неуверенно проделывая все это в первЫе или привычным движением запрыгивая на доску, наверно, в тысячный раз, вы вряд ли просчитываете по научным формулам и законам все, что с вами происходит. И, тем не менее, множество законов физики сопровождает вас все время, пока вы скользите по волнам. Давайте рассмотрим, где и как встречаются физика и серфинг. Начнем, как и все серферы, с ожидания волн в перерыве между сетами, затем рассмотрим ускорение в момент ловли волны и, наконец, поведение доски на поворотах.

Ожидание подходящего момента для старта

Рисунок 2. Гребущий серфер

Лежа на доске на спокойной воде в перерывах между сетами, вы подвергаетесь действию двух довольно простых, но очень важных физических сил - силы тяжести (гравитации) и силы плавучести.

Гравитация
Гравитация притягивает к земле каждый атом доски и тела, действуя так, как если бы она была единственной силой, влияющей на центр массы человека. У большинства людей центр массы совпадает с центром тела, если встать прямо. Рассматривая физику процесса, мы будем игнорировать массу доски. Хотя доска, конечно, не невесома, физики прибегают к этой небольшой уловке, чтобы быстрее добраться до сути вопроса.

Плавучесть
Плавучесть - это восходящая сила, возникающая, когда неподвижная вода давит на доску снизу (так называемая гидростатическая сила). Вода воздействует на всю поверхность доски, при этом сила плавучести действует так, как если бы она была единственной силой, влияющей на центр плавучести доски, который, в свою очередь, соответствует центру массы выталкиваемой доской воды. Говорят, что когда Архимед открыл математику плавучести, он пришел в такое возбуждение, что с криком "Эврика" выбежал на улицу голым.

Результирующая сила
Благодаря г-ну Ньютону мы знаем, что сумма всех сил, действующих на находящееся в состоянии покоя тело, равна нулю. Сумма сил, действующих на тело, называется результирующей силой. Отсутствие ускорения также означает нулевое значение результирующей силы. Отметим этот важный факт, прежде чем идти дальше. Обратите внимание, что при перемещении с постоянной скоростью ускорение тоже будет равно нулю.

В состоянии покоя силы тяжести и плавучести равны и направлены в противоположные стороны. Результирующая сила, воздействующая на серфера и доску, равна нулю (диаграмма 1).

Диаграмма 1. Гравитация и плавучесть в состоянии покоя

Равновесие
Умение сохранять равновесие очень важно для серфера. Если нисходящая сила тяжести и восходящая сила плавучести действуют вдоль одной прямой, то их сумма равна нулю и физическое тело (в нашем случае - серфер на доске) сохраняет устойчивость (диаграмма 1).

Рисунок 3. Смещение центра массы серфера

Шаг назад от центра массы доски - и ее нос будет задираться вверх до тех пор, пока силы тяжести и плавучести не уравняются. Серфер на рисунке 3 сильно сместился вправо, из-за чего корма доски ушла под воду, и произошла остановка.

Если две противоположно направленные силы действуют не вдоль одной прямой, то доска начинает испытывать действие крутящей силы, так называемый крутящий момент. Когда серфер смещается назад, крутящий момент поворачивает доску так, чтобы ее нос начал подниматься над водой, а корма, напротив, уходить под воду. Это изменяет положение воды, вытесненной доской, а также действие силы плавучести. Доска поворачивается до тех пор, пока гравитация и плавучесть снова не окажутся на одной прямой. Таким образом, перемещая свой вес относительно центра массы доски, можно опустить или поднять ее нос, а также опустить и поднять левый или правый борт.

Диаграммы физических сил

Смещение серфера к корме приводит к тому, что гравитация и плавучесть, действуя одновременно, создают крутящий момент (диаграмма 2).

Диаграмма 2. Серфер смещается назад

Доска отвечает вращением и поворачивается до тех пор, пока сила плавучести, проходящая через центр массы вытесненной воды, не уравняется с силой тяжести, действующей на серфера (диаграмма 3).

Диаграмма 3. Вращение доски, следующее за смещением центров массы

Поскольку доска вращает центр плавучести, центр массы вытесненной воды смещается вслед за ним. После достижения равновесия гравитации и плавучести крутящий момент исчезает.

Готовимся ловить волну

Скорость волны
Итак, издалека приближается волна - отличный "водяной холм", движущийся на постоянной скорости. По опыту мы знаем, что скорость приближаюшейся волны составляет в среднем 6 узлов (11 км/ч). Оценив время, вы начинаете грести вперед, разгоняясь до необходимой скорости. Умение определить нужный момент - один из важнейших навыков, которым должен владеть серфер.

Рисунок 4. Действие равно противодействию

Физика здесь проста: вы отталкиваете воду руками назад и, в полном соответствии с третьим законом Ньютона, который утверждает, что действие равно противодействию, вода проталкивает вас вперед, разгоняя до нужной скорости. Когда вы отталкиваете воду назад, вода продвигает вас вперед, разгоняя доску и райдера до скорости, необходимой, чтобы поймать волну (рисунок 4).

Скольжение

Как только волна добралась до вас, поверхность воды начинает подниматься, образуя угол наклона. Это может произойти только в случае, если вода находится в движении. Поскольку вода под вами повышается, вы оказываетесь на скользком склоне. Гравитация тянет вас вниз по водяному склону, плавучесть толкает вверх, а новые гидродинамические силы, возникшие от взаимодействия движущейся воды с доской, продвигают вперед.

Вы можете скользить по брюху волны, все время находясь чуть впереди ее гребня. Вы чувствуете ускорение, поскольку гравитация тянет вас вниз по склону, а волна толкает вверх и вперед. Результирующая сила больше не равна нулю. Теперь результирующая сила разгоняет серфера до скорости волны и даже сильнее (диаграмма 4).

Диаграмма 4. Движение вперед

Гидродинамические силы: почувствовать и увидеть
Основные трудности серфинга кроются в гидродинамических силах. Эти силы действуют на доску, когда вода толкает ее вперед. В следующий раз, когда вы окажетесь в движущейся лодке или рядом со стремительным потоком, опустите руку в воду. Почувствуйте силы, которыми вода действует на вашу ладонь. Поверниту руку на бок, почувствуйте, как силы отталкивают вашу руку в сторону и обратите внимание, что при столкновении с вашей рукой поток воды отклоняется в противоположную сторону. Точно так же фронт волны сталкивается с доской и отклоняет ее в сторону. Вы заметите результат этого столкновения, если обратите внимание на брызги вокруг бортов.

Рисунок 5. Гидродинамические танцы на лонгборде

При прохождении воды под дном доски гидродинамические силы включают силу трения. Гидродинамические силы обладают довольно большой мощностью - их действие испытал на себе каждый серфер, хотя бы раз в жизни упавший под разбивающуюся волну.

Форма дна доски сильно влияет на ее характеристики и поведение на воде. Едва заметные каналы и вогнутости, а также самый незначительный рокер могут существенно изменить воздействие гидродинамических сил на доску.

Вы смакуете ускорение движения, поскольку тонны движущейся воды подталкивают вас вперед все быстрее и быстрее. Вы встаете на доску, удерживая колени согнутыми и балансируя из стороны в сторону и вперед-назад, чтобы сохранить постоянно изменяющиеся силы и крутящий момент в равновесии. Такие вот танцы с гидродинамикой.

Обратите внимание на рисунок 5. Глубокое приседание уводит серфера назад настолько, что он может коснуться воды рукой. Это несложно проделать на лонгборде, обладающем большой плавучестью.

Как только серфер достигает скорости волны, сумма гидродинамические силы движущейся воды, влияющих на доску, и крутящий момент становятся равными нулю (диаграмма 5).

Диаграмма 5. Скольжение на скорость волны

Разбивание волны
По мере приближения к мелководью масса воды начинает все сильнее взаимодействовать с морским дном. Более низкая часть волны замедляется, вершина продолжает двигаться вперед, из-за чего волна закручивается и разбивается. Вряд ли найдутся желающие оказаться под волной, каждый кубометр которой весит тонну.

Право- и левоторонние волны позволяют серферу скользить чуть впереди гребня. Скорость скольжения может быть больше скорости самой волны. Здесь можно поиграть с энергией, устремляясь вниз по брюху волны и набирая кинетическую энергию, т.е. энергию движения, и теряя гравитационную потенциальную энергию (чем тело выше поднято над землей, тем его потенциальная энергия больше). Затем, выполняя разворот у основания волны, вы можете использовать накопленную кинетическую энергию (в которую к моменту спуска к основанию волны перейдет потенциальная энергия), чтобы подняться наверх, к гребню. Повороты и скольжение вверх и вниз по волне - это и есть настоящий серфинг.

Повороты

Надавите на воду, и она оттолкнет вас назад
Вы скользите вниз по брюху волны и замечаете, что волна ломается слева от вас, и гребень движется вправо. Вам нужно повернуть направо. Находясь на лонгборде, вы отступаете назад и переносите вес вправо. На шортборде вы не делаете шага, но, перенося вес назад и вправо, перемещаете свой основной вес на заднюю ногу, затем надавливаете либо на пятку, либо на носки, в зависимости от того, какая часть ступни оказалась справа.

Рисунок 6. Правосторонный поворот

Проделав эти нехитрые движения, вы сдвинули первоначальную точку равновесия, а значит, сместили силу, с которой вы воздействуете на доску, назад и вправо. Доска отвечает вам небольшим правосторонним поворотом, при этом правый борт погружается в волну, а кормовой рокер выталкивает воду. Человек, наблюдающий за этим маневром с берега, увидит водяные брызги, разлетающиеся в стороны, когда вы выталкиваете воду поворотом доски. Силы воды, воздействующие на изогнутое дно доски, заставляют доску поворачивать направо.

Посмотрите на рисунок 6 - на борозду, оставляемую доской девушки на воде во время поворота; на ее доску. Вы увидите, что корпус девушки смещен назад и вправо. Девушка давит на палубу пальцами правой ноги, чтобы заставить доску повернуть.

Поворачиваем быстрее
Если вы скользите на согнутых ногах и приседаете настолько глубоко, что можете коснуться ладонью волны. Выпрямите ноги в середине поворота, с силой выпрямляя корпус вверх. Это движение толкнет доску вниз в воду с силой большей, чем сила притяжения. И это дополнительное усилие заставит доску поворачивать быстрее.

Повороты на лонгборде и шортборде
Шортборды - это короткие доски с тонкими заостренными носами. Лонгборды - длинные доски с широкими закругленными носами. Если взять короткую деревянную дощечку длиной, к примеру, 30 см и попробовать быстро повернуть ее в воде, то окажется, что сделать это довольно легко. Но попытайтесь повернуть дощечку, длина которой втрое больше, и вы обнаружите, что ваши движения замедлились. То же самое происходит и с досками для серфинга. Более длинная и тяжелая доска поворачивает медленнее, чем короткая и легкая. Такое сопротивление вращению физики называют её моментом инерции.

Скорость лонгборда и шортборда
Лонгборд поворачивает медленнее, чем шортборд, зато на гребле шортборд движется быстрее. Аналогичное правило справедливо и для лодок: более длинные лодки движутся быстрее коротких. Это происходит от того, что лодка или доска при движении по воде создают собственные волны, на преодоление которых уходят основные усилия гребца. На максимальной скорости создаваемые волны имеют наибольшую высоту у носа доски и минимальную - у кормы, поэтому лодка всегда движется "в гору".

На одной из фотографий выше (рисунок 2) можно заметить собственные волны, образуемые доской во время гребли. Чем быстрее гребет серфер, тем быстрее гребень волны перемещается к корме. С другой стороны, чем длиннее доска, тем лучше она сглаживает собственные волны, тем меньше совершает колебательных движений по вертикали и тем быстрее продвигается вперед.

Доска, которая летит или скользит вниз по поверхности волны, уже не ограничена гребной скоростью и не встречает сопротивления собственных волн. Поэтому в данном случае длина уже не влияет на скорость шортборда.

Рисунок 7. Любому хорошему серфингу рано или поздно приходит конец

Роль плавников
Если бы доска скользила по волне боком (т.е. не носом, а одним из бортов вперед), мощная гидродинамическая сила воздействовала бы на плавник (или плавники) на корме доски. Эта сила закручивала бы доску вокруг ее центра массы до тех пор, пока доска не выровнялась бы по направлению движения. Плавники помогают доске поворачивать, оберегая доску от скольжения поперек волны параллельно берегу.

Окончание скольжения
В конце концов даже самое идеальное скольжение подходит к концу. Вы делаете шаг назад, утапливаете корму в воду и тормозите. Волна катится под вами, и вы падаете назад. Улыбнитесь, вспомните и проанализируйте свои ошибки и начинайте снова грести, чтобы поймать следующую волну.

Будьте осторожны, серфинг затягивает!

Источник: www.crazy-surfclub.ru