La physique du surf

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! 

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.
 

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. 

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.

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.