高さ80フィートの荒々しい波を捉える物理学

サーフィンはしたことがありませんが、挑戦してみたい気持ちはあります。ただ、ポルトガル沖のこの巨大な波のような波に乗るのはちょっと…ちょっと…ちょっと…諦めます。

もちろん、サーフィンをしない人でも、サーフィンという行為には（波の形成に関する物理法則はもちろんのこと）興味深い物理法則が関わっています。では、このような巨大な波の中で、ライダーはどうやって動き続けるのでしょうか？あらゆる動きと同様に、ここで鍵となるのは力です。

これは、波の上を一定の速度で移動するサーファーにかかる力を示した図です。

これらの力はすべて、正味の力がゼロになるように加算される必要があることを覚えておいてください。サーファーにかかる正味の力がゼロでない場合、加速度も発生します（これが力の性質です）。では、これら3つの力とは何でしょうか？最も明白なのは重力です。これは、サーファーと地球の質量が相互作用することによって生じる、下向きの引力です。これは興味深い力ですが、質量も物体間の距離も変化しないため、この力も一定です。

次に考慮すべき力は抗力です。サーフボードが水中を進むと、ある程度の抵抗が生じます。この抵抗は、動きの反対方向、つまり水面と平行な摩擦力のようなものです。この波は波なので、水面が水平ではないことに注目してください。この抗力の大きさは、サーファーの速度が上がるにつれて大きくなると考えられます。

最後の力は、私が「水」と名付けたものです。はい、これはちょっとズルをしています。厳密に言えば「抗力」も水から来る力なのですが、他に何と呼べばいいのか分からなかったので、この力の要素を当てはめました。重要なのは、この水からの力の要素は、水面に対して平行（抗力のように）ではなく垂直であるということです。これは、サーファーが水中を移動する際に、浮力と一種の「揚力」の組み合わせによって生じます。この水の力は、サーファーが波に「沈む」のを防ぎます。これらの力をすべて足し合わせると、サーファーは一定の速度で移動します。

でも、ちょっと待ってください。もっと複雑になります。問題を理解するために、もう少し詳細な力の図を描いてみます。ただし、サーファーはただの点です。

水面に平行な線を考えてみましょう。これをx軸と呼びます。このx方向には2つの力が働いています。1つは抗力、もう1つは重力の成分です。波の傾きが急になる（θの値が大きくなる）につれて、波の下降方向への重力の成分が大きくなります。重力（質量と重力場gの積）と波の角度に関して、等速の場合、次の式が成り立ちます。

つまり、波の角度が急であればあるほど「前へ」押す力が大きくなり、サーファーのスピードが上がります。しかし、スピードが速いということは、抵抗力も大きくなるということです。つまり、ある特定の波の角度に対して、特定の速度を与えるサーファーのスピードは一つしかないということです。これは重要な点です。なぜなら、サーファーは波と同じスピードで進みたいと考えているからです。それが「サーフィン」というスポーツの本質です。そうそう、この例では波とサーファーは異なる方向に動いていることを指摘しておくべきでしょう。波は水平方向に動いていますが、波の中の水は複雑な動きをしています。

つまり、サーファーが「波に乗る」ためには、波の特定の場所が必要なようです。もしサーファーが波に対して速すぎる場合は、常に別の選択肢、つまりターンがあります。サーファーが波の進行方向に対して垂直に動くと、波の進行方向の速度ははるかに低くなります。（念のため：私は実際のサーファーではありません）これが、サーファーが波の長さに沿って移動する理由だと思います。このポルトガルの波のように巨大で急峻な波の場合、このことは特に当てはまります。

このような波の近くにいるだけでもまだ怖いです。

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