La physique du surf

Parlons sciences
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6.54

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Retrace l’historique des planches de surf et découvre comment l’évolution du design et des matériaux utilisés a influé sur leurs propriétés physiques.

Dis-toi que les lois de la physique sont à l’œuvre chaque fois que tu pratiques un sport. Et le surf ne fait pas exception à la règle! 

Le surf illustre parfaitement comment la poussée d’Archimède, la tension de surface, la masse, la forme de la planche et les forces hydrodynamiques peuvent contribuer ensemble à offrir aux surfeurs les conditions optimales pour la chevauchée parfaite. La masse et la forme de la planche dépendent de la morphologie du surfeur en tant que telle. La poussée d’Archimède et les forces hydrodynamiques, elles, s’appliquent sur la planche.

Comment le design des planches de surf a-t-il évolué au fil des années?

Avant les années 1920, les planches de surf étaient lourdes et immenses. Elles pouvaient peser environ 45 kg (100 lb) et mesurer jusqu’à 5 m (16 pi) de long! 

Photo du surfeur et champion olympique de natation Duke Kahanamoku debout devant sa planche de surf sur une plage de Los Angeles, en Californie, vers 1920
Photo du surfeur et champion olympique de natation Duke Kahanamoku debout devant sa planche de surf sur une plage de Los Angeles, en Californie, vers 1920 (Source : photographe non crédité attaché au Los Angeles Times, Los Angeles Times via Wikimedia Commons).

 

À l’époque, les planches étaient en bois; on utilisait plus précisément du séquoia. Mais le séquoia n’est pas un bois très résistant à l’eau. Les planches absorbaient l’eau au fur et à mesure que les surfeurs prenaient les vagues, si bien qu’elles devenaient de plus en plus lourdes.

Puis, en 1926, un surfeur américain nommé Tom Blake a eu l’idée de percer des trous dans sa planche de surf. De cette façon, il a éliminé une bonne quantité de bois, ce qui a considérablement allégé sa lourde planche. Blake a ensuite apposé une mince feuille de bois de placage de chaque côté de la planche, bloquant les trous. Ce design a connu un succès fulgurant. La première planche de surf produite en série était née!

C’est à partir de là qu’on a commencé à améliorer le design des planches de surf. En 1932, des fabricants se sont mis à produire des planches en balsa. Ces planches étaient beaucoup plus légères : elles pesaient 14 kg (30 lb) environ. Quelques années plus tard, les fabricants ont ajouté des dérives fixes aux planches. Ces ailerons ont contribué à accroître leur stabilité et les ont rendues plus faciles à manœuvrer. En fait, les dérives ont permis aux surfeurs de trouver le juste équilibre entre poussée et traînée.
 

Carène (dessous d’une planche de surf). La dérive (aileron) est la pièce incurvée qui pointe vers le haut
Carène (dessous d’une planche de surf). La dérive (aileron) est la pièce incurvée qui pointe vers le haut (Source : Ross [CC BY-SA 2.0] via Wikimedia Commons).

Il n’y a eu aucun progrès technologique dans le design des planches de surf pendant des dizaines d’années. Puis, dans les années 1950, les fabricants ont commencé à produire des planches en mousse et en fibre de verre, qui étaient plus légères et plus résistantes que les anciennes planches en bois. 

Les différentes formes de carènes
Les différentes formes de carènes (© 2019 Parlons sciences).

Ces nouveaux matériaux étaient également plus hydrodynamiques. L’hydrodynamique est l’étude des forces qui s’appliquent aux liquides ou qui sont exercées par ceux-ci, et des objets solides immergés, comme c’est le cas d’une planche de surf immergée.

La forme de la planche et celle de la dérive changent la façon dont l’eau s’écoule autour d’elles. Elles influent également sur la capacité du surfeur à maîtriser sa planche dans l’eau. 

La chevauchée variera en fonction de la forme de la carène (dessous de la planche). Par exemple :

  • les planches double concave offrent une glisse tout en douceur; 
  • les V tournent facilement.

En fait, les designers de planches de surf tiennent compte de principes utilisés en astronautique. À titre d’exemple, le fabricant de planches Varial Surf a été fondé par un ancien ingénieur de SpaceX. Cette compagnie fabrique ses planches dans les mêmes matériaux que les fusées! Elle a même créé un nouveau type de mousse caractérisé par une meilleure flottabilité. Cette mousse se cristallise, ce qui se traduit par une augmentation de la densité des cellules. Comme la densité des cellules est plus élevée sur une surface donnée, ces planches de surf sont plus légères et plus résistantes.

Quels sont les principes physiques qui sont à l’œuvre quand on surfe?

Il y a plusieurs forces qui entrent en jeu quand on surfe. La gravité et la flottabilité (poussée d’Archimède) s’opposent. La gravité attire la planche vers le fond, tandis que la flottabilité la pousse vers la surface. Laquelle de ces forces prend le dessus? Tout dépend de la densité des matériaux qui composent la planche. Comme tu peux t’en douter, les matériaux employés de nos jours sont beaucoup plus légers et beaucoup moins denses que le bois qui était utilisé par le passé. De plus, dans l’ensemble, les planches de surf sont moins denses que l’eau, c’est ce qui leur permet de flotter de toute façon!    

Bien entendu, le corps du surfeur vient ajouter un poids additionnel. Le poids est égal au produit de la masse par la force de gravité (9,8 m/s2). Garder un centre de gravité bas est l’une des plus importantes techniques pour être un bon surfeur. Pour rester équilibrés et stables, les surfeurs s’accroupissent, gardant leur centre de gravité bas. Les surfeurs peuvent également changer de position sur leur blanche. Si un surfeur se tient au milieu de la planche où la flottabilité et le poids sont équilibrés, la planche sera à plat. Si le surfeur recule, le nez de la planche montera, ce qui la rendra plus facile à diriger.

Les quatre forces exercées sur une planche de surf
Les quatre forces exercées sur une planche de surf (© 2019 Parlons sciences)

Parallèlement, la traînée exercée entre l’eau et la planche crée des frottements dans le sens inverse de la direction prise par le surfeur. C’est ce qui aide celui-ci à maîtriser les mouvements de sa planche. 

Alors comment peut-on mettre ces principes physiques à contribution pour attraper une vague? Tu es au repos quand tu es allongé sur ta planche de surf en train d’attendre une vague. Dès que tu en vois une à l’horizon, mets-toi à pagayer avec les bras dans sa direction. Accélère jusqu’à ce que ta vitesse soit équivalente à celle de la vague. C’est à ce moment-là que la gravité, la poussée d’Archimède, la poussée et la traînée sont en parfait équilibre. 

Amorces de discussion

Faire des liens

  • As-tu déjà surfé? Si oui, comment c’était? Sinon, aimerais-tu essayer le surf? Pourquoi ou pourquoi pas? 
  • As-tu déjà fait de la planche à neige? À ton avis, y a-t-il quelques similitudes avec le surf? Lesquelles? 
     

Faire des liens

  • As-tu déjà surfé? Si oui, comment c’était? Sinon, aimerais-tu essayer le surf? Pourquoi ou pourquoi pas? 
  • As-tu déjà fait de la planche à neige? À ton avis, y a-t-il quelques similitudes avec le surf? Lesquelles? 
     

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • De quelle façon les connaissances scientifiques sur la poussée d’Archimède et la densité ont-elles influé sur la fabrication des planches de surf? Explique ton point de vue.
  • Les gouvernements ou les associations sportives devraient-ils réglementer les innovations apportées aux planches de surf, afin d’empêcher les surfeurs de compétition de tricher? Explique ton point de vue.
  • Penses-tu que les designers de planches de surf devraient examiner dans quelle mesure les planches pourraient accroître le risque de blessures chez les surfeurs et mettre les animaux marins en danger? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Selon toi, les technologies utilisées pour concevoir les planches de surf pourraient-elles aussi être utilisées pour mettre au point des moyens de transport plus rapides et plus sécuritaires? Explique ton point de vue.
     

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • De quelle façon les connaissances scientifiques sur la poussée d’Archimède et la densité ont-elles influé sur la fabrication des planches de surf? Explique ton point de vue.
  • Les gouvernements ou les associations sportives devraient-ils réglementer les innovations apportées aux planches de surf, afin d’empêcher les surfeurs de compétition de tricher? Explique ton point de vue.
  • Penses-tu que les designers de planches de surf devraient examiner dans quelle mesure les planches pourraient accroître le risque de blessures chez les surfeurs et mettre les animaux marins en danger? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Selon toi, les technologies utilisées pour concevoir les planches de surf pourraient-elles aussi être utilisées pour mettre au point des moyens de transport plus rapides et plus sécuritaires? Explique ton point de vue.
     

Explorer les concepts

  • Comment les planches de surf ont-elles évolué au fil des années et ainsi gagné en vitesse et en efficacité?
  • Quelles sont les quatre principales forces exercées sur une planche de surf qui chevauche une vague?
  • Comment la taille, le type / la forme de la dérive et le matériau dans lequel elle a été fabriquée peuvent-ils rendre une planche de surf plus hydrodynamique?
  • En quoi le surf s’apparente-t-il au canotage?
  • En quoi la planche à neige s’apparente-t-elle au surf?
     

Explorer les concepts

  • Comment les planches de surf ont-elles évolué au fil des années et ainsi gagné en vitesse et en efficacité?
  • Quelles sont les quatre principales forces exercées sur une planche de surf qui chevauche une vague?
  • Comment la taille, le type / la forme de la dérive et le matériau dans lequel elle a été fabriquée peuvent-ils rendre une planche de surf plus hydrodynamique?
  • En quoi le surf s’apparente-t-il au canotage?
  • En quoi la planche à neige s’apparente-t-elle au surf?
     

Nature de la science et de la technologie

  • La science et la technologie ont été mises à profit pour améliorer la performance des sportifs qui pratiquent diverses disciplines. Est-ce une façon judicieuse d’appliquer les connaissances scientifiques? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Quels progrès technologiques ont influé sur la conception et la fabrication des planches de surf? Fais une recherche pour déterminer comment la technologie dans le domaine a évolué depuis ses débuts jusqu’à aujourd’hui.   
     

Nature de la science et de la technologie

  • La science et la technologie ont été mises à profit pour améliorer la performance des sportifs qui pratiquent diverses disciplines. Est-ce une façon judicieuse d’appliquer les connaissances scientifiques? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Quels progrès technologiques ont influé sur la conception et la fabrication des planches de surf? Fais une recherche pour déterminer comment la technologie dans le domaine a évolué depuis ses débuts jusqu’à aujourd’hui.   
     

Littératie médiatique

  • Dans les médias, les surfeurs sont souvent présentés comme des personnes sous-performantes qui n’y connaissent rien aux sciences ni à la technologie. À ton avis, est-ce un portrait fidèle de la réalité? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Habituellement, les technologies dépeintes dans un film sont représentatives de l’époque à laquelle se déroule l’histoire. As-tu déjà regardé un vieux film sur le surf? Qu’as-tu remarqué à propos du design et du style des planches de surf qui étaient utilisées?
     

Littératie médiatique

  • Dans les médias, les surfeurs sont souvent présentés comme des personnes sous-performantes qui n’y connaissent rien aux sciences ni à la technologie. À ton avis, est-ce un portrait fidèle de la réalité? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Habituellement, les technologies dépeintes dans un film sont représentatives de l’époque à laquelle se déroule l’histoire. As-tu déjà regardé un vieux film sur le surf? Qu’as-tu remarqué à propos du design et du style des planches de surf qui étaient utilisées?
     

Suggestions pour l'enseignement

  • Cette vidéo et cet article peuvent être utilisés pour favoriser l’enseignement et l’apprentissage de notions relatives à la poussée d’Archimède, et à la fabrication et au bois (matériaux) dans les domaines suivants : Physique, Histoire et Études internationales, et Ingénierie et Technologie. Voici la liste des concepts qui y sont présentés : surf, planches de surf, absorber, fabricants, dérives fixes, stabilité, poussée, traînée, hydrodynamique, ingénieurs, forces, gravité, poussée d’Archimède, poids, masse, force de la gravité, traînée, accélérer et vitesse.
  • L’enseignant ou enseignante pourrait se servir de cette vidéo pour présenter le concept de la poussée d’Archimède et/ou les applications de ce principe. Avant le visionnement de la vidéo, l’enseignant ou enseignante pourrait activer les connaissances préalables des élèves en leur demandant s’ils ont déjà utilisé une planche de surf ou un petit bateau, comme un canoë ou un kayak; quelles difficultés ils ont éprouvées; s’ils sont tombés à l’eau; combien de temps il leur a fallu pour manœuvrer la planche ou le bateau aisément et en toute sécurité; et dans le cas de ceux qui n’ont jamais surfé ou fait du canoë/kayak, quel serait l’élément le plus difficile à maîtriser s’ils devaient pratiquer de telles activités?
  • Avant le visionnement de la vidéo et la lecture de l’article, l’enseignant ou enseignante pourrait utiliser la stratégie d’apprentissage de l’aperçu du vocabulaire en vue d’activer les connaissances préalables des élèves et de leur présenter les nouveaux termes. Il est possible de télécharger pour cette vidéo des fiches reproductibles de la stratégie d’apprentissage de l’aperçu du vocabulaire prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour contribuer à consolider l’apprentissage, l’enseignant ou enseignante pourrait alors inviter les élèves à participer à une activité de type penser-préparer-partager. L’enseignant ou enseignante demandera aux élèves de s’interroger sur les diverses applications de la science dans les sports nautiques tels que le surf et le nautisme, puis de faire part de leurs idées à leur partenaire. Les équipes pourront ensuite partager le fruit de leur réflexion avec toute la classe. Les chefs d’équipe ou l’enseignant ou enseignante pourront prendre les idées des élèves en note.
  • Pour continuer à consolider l’apprentissage, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves de faire un schéma légendé qui illustre les forces exercées sur un surfeur sur sa planche et qui indique l’orientation de ces forces. 
  • S’il souhaite se concentrer sur le volet design et technologie, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves de faire une recherche sur l’évolution du design des planches de surf, y compris sur les technologies qui ont influé sur le design et la fabrication de ces planches au cours de l’histoire. Pour résumer les résultats de leur recherche, les élèves pourraient ensuite créer une frise chronologique portant sur le design des planches de surf et la technologie employée.

Suggestions pour l'enseignement

  • Cette vidéo et cet article peuvent être utilisés pour favoriser l’enseignement et l’apprentissage de notions relatives à la poussée d’Archimède, et à la fabrication et au bois (matériaux) dans les domaines suivants : Physique, Histoire et Études internationales, et Ingénierie et Technologie. Voici la liste des concepts qui y sont présentés : surf, planches de surf, absorber, fabricants, dérives fixes, stabilité, poussée, traînée, hydrodynamique, ingénieurs, forces, gravité, poussée d’Archimède, poids, masse, force de la gravité, traînée, accélérer et vitesse.
  • L’enseignant ou enseignante pourrait se servir de cette vidéo pour présenter le concept de la poussée d’Archimède et/ou les applications de ce principe. Avant le visionnement de la vidéo, l’enseignant ou enseignante pourrait activer les connaissances préalables des élèves en leur demandant s’ils ont déjà utilisé une planche de surf ou un petit bateau, comme un canoë ou un kayak; quelles difficultés ils ont éprouvées; s’ils sont tombés à l’eau; combien de temps il leur a fallu pour manœuvrer la planche ou le bateau aisément et en toute sécurité; et dans le cas de ceux qui n’ont jamais surfé ou fait du canoë/kayak, quel serait l’élément le plus difficile à maîtriser s’ils devaient pratiquer de telles activités?
  • Avant le visionnement de la vidéo et la lecture de l’article, l’enseignant ou enseignante pourrait utiliser la stratégie d’apprentissage de l’aperçu du vocabulaire en vue d’activer les connaissances préalables des élèves et de leur présenter les nouveaux termes. Il est possible de télécharger pour cette vidéo des fiches reproductibles de la stratégie d’apprentissage de l’aperçu du vocabulaire prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour contribuer à consolider l’apprentissage, l’enseignant ou enseignante pourrait alors inviter les élèves à participer à une activité de type penser-préparer-partager. L’enseignant ou enseignante demandera aux élèves de s’interroger sur les diverses applications de la science dans les sports nautiques tels que le surf et le nautisme, puis de faire part de leurs idées à leur partenaire. Les équipes pourront ensuite partager le fruit de leur réflexion avec toute la classe. Les chefs d’équipe ou l’enseignant ou enseignante pourront prendre les idées des élèves en note.
  • Pour continuer à consolider l’apprentissage, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves de faire un schéma légendé qui illustre les forces exercées sur un surfeur sur sa planche et qui indique l’orientation de ces forces. 
  • S’il souhaite se concentrer sur le volet design et technologie, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves de faire une recherche sur l’évolution du design des planches de surf, y compris sur les technologies qui ont influé sur le design et la fabrication de ces planches au cours de l’histoire. Pour résumer les résultats de leur recherche, les élèves pourraient ensuite créer une frise chronologique portant sur le design des planches de surf et la technologie employée.

En savoir plus

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Cet article explique les lois de physique élémentaires qui peuvent vous aider à mieux appréhender la vague et votre position sur la planche.

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Cet article explique comment un surfeur et une équipe de scientifiques et d’ingénieurs spécialisés a développé un mécanisme qui génère une houle semblable à celle retrouvée en mer dans une piscine qui fait 700 mètres de long par 150 de large.

Références

California Surf Museum. (n.d.). Who invented the foam surfboard.

Trinastic, J. (2017, octobre 17). Waves of physics: The science of surfing. Science Connected Magazine.