Le surf c'est l'instinct, l'hydrodynamique et la physique du surf sont trop complexes pour être comprises! Et si cela n'était qu'un préjugé défaitiste? Et si apprendre les bases hydrodynamiques de la physique du surf, était simplement et naturellement le meilleur moyen d’affûter l'instinct du surfer et du shaper?
Connaitre les forces hydrodynamiques permet par exemple, de comparer objectivement et instantanément la résistance à l'avancement entre deux planches de surf, pour un surfer donné. Ceci peux faire économiser beaucoup de temps, d'argent, et d'énergie aux surfers et aux shapers.
Comprendre la physique du surf c'est comme découvrir un bon film. Un chef d’œuvre, avec de nombreux acteurs dont on comprend le rôle, discrets mais essentiels, qu’après avoir vu le film plusieurs fois. Nous découvrons à chaque fois, un nouvel angle de vue qui nourri notre perception. Nous sortons du film avec la sensation d'avoir appris certaines choses, mais que tant d'autres nous ont échappé, et c'est pour cela que nous désirons le revoir. Ce film sans fin du surf, est une trilogie intégrant: le mouvement, la géométrie d'un espace déformant le temps, et des forces. Le tout propulse le spectateur dans une dimension qui l'habitera toute sa vie: la vague.
Silver surfer
“J'en ai fait un réceptacle des énergies ambiantes de l'univers " Dit Galactus, " J'ai créé pour lui une planche merveilleuse qui obéit à chacune de ses pensées” (Warshow, 2005)
Les forces du surf sont hydrodynamiques, et hydrostatiques. Elles dépendent de la position du surfer, qui modifie l'angle d'incidence, et la trajectoire du virage. Le volume de planche, la surface mouillée, la pente de vague, le poids, la vitesse..., sont aussi des acteurs qui jouent des rôles déterminants les performances de votre planche de surf.
La notion d'instinct naturel offre à celui qui sur estime ses dons, et sous-estime ses capacités intellectuelles, l'alibi parfait pour cultiver son ignorance. Il est donc fréquent que la complexité d'une approche rationnelle de la physique du surf, décourage ceux qui manquent d'outils pour l'aborder. (voir: hydrodynamique surf)
Encouragé par une certaine vision de la culture surf, j'ai moi aussi vogué en comptant sur mon intuition. Mais même après plusieurs années à observer et expérimenter, je restait incapable de comprendre certains phénomènes contre intuitifs, comme par exemple l'intensité des forces sur un profil de dérive, en fonction de la vitesse et de l'angle d'incidence. Le surfer apprend rapidement, que la science géométrique d'un alignement, est la meilleure méthode pour repérer la position d'un haut fond. Lorsque les choses deviennent plus sérieuses, comme des transatlantiques à la voile, nous étudions la théorie du navire, la météorologie, et le réglage des voiles pour mettre toutes les chances de notre coté. Nous découvrons alors les trésors de l’aérodynamique et de l'hydrodynamique qui lèvent le voile sur le monde invisible de la mécanique de fluides. Si l'école n'a pas su trouver le chemin de nos capacités, l'ingéniosité de l'architecture navale, nous réconcilie avec le plaisir de l’étude.
L'intuition est bien sur vitale car elle inspire notre raisonnement. Mais si une analyse rationnelle ne nous protège pas des pièges de certains raccourcis intuitifs, nous n'évoluons pas. La dualité intuition <=> réflexion , est un équilibre:
- Délaissons notre intuition et nous devenons des machines logiques mais incapables de vivre l'émotion du présent.
- Délaissons l'apprentissage scientifique et nous instaurons l'obscurantisme des croyances moyenâgeuses
- Vérifions scientifiquement ce que nous inspire notre intuition et nous tenons entre nos mains le moteur de notre évolution.
L'erreur classique, que l'on a tous commis au moins une fois, est de confondre instinct et pifomètre: l'instinct se construit d’observations et de validations d’hypothèses que nous gardons en mémoire. Alors que le pifomètre n'a aucune mémoire, il tourne en rond dans un bocal. Le pifomètre est un gars super sympas, on rigole vraiment bien avec lui, mais allons nous lui confier le budget de conception de notre prochaine planche?
Prenons l'exemple concret de l’influence du poids du surfer sur le dimensionnement d'une planche: Le fonctionnement d'une planche varie fortement en fonction du poids du surfer. Sélectionner une planche pour un débutant en fonction de son poids, ne pose pas de difficulté particulière, il suffit que le volume soit suffisant pour flotter. Mais ajuster les dimensions et le volume d'une planche pour qu'elle soit optimale est autrement plus complexe. Le shaper doit adapter la planche en fonction du surfer, autant qu'en fonction des vagues. Savoir comment le planing va évoluer en modifiant le volume, et la longueur d'une planche, si le surfer fait 5 kg de plus ou moins, est un problème quotidien pour le shaper et le surfer. Comment résoudre ce problème? Voici 2 solutions:
Solution 1: Recette pifometrique: Augmenter ou diminuer la taille de la planche, juste en longueur, ou juste en largeur, ou les deux, puis bidouiller un peu le volume, en plus devant ou derrière, ou le contraire. En suivant des grilles de données, relevées sur un catalogue d'une marque connue, et en les mixant avec une planche qui avait bien marché d’après un bon pote qui surf vraiment super bien, mais qui fait dix kilos de moins. Si nous optons pour cette solution, avec un peu de chance, nous ferrons quelques surfers satisfaits, car même une horloge arrêtée donne l'heure juste, deux fois par jour. Mais ne nous y trompons pas: cette recette nous fait tourner en rond sans progresser.
Solution 2: Évaluer les performances hydrodynamiques des planches que vous shapez. Inventer une bonne planche de surf pour chaque nouveaux cas de surfer, nécessite plus que du génie: Une méthode. La solution au bon dimensionnement de planche, réside dans l'étude de l'hydrodynamique. Cet exemple de graphique de traînée d'une planche de surf, ne doit pas vous faire peur, mais vous révéler les aptitudes d'une planche, pour un surfer, dans une vague donnée.
Courbe d'analyse hydrodynamique en fonction des vitesses (Logiciel ShaperWaveDynamics)
Si vous parcourrez les pages de ce site dédié à l'hydrodynamique du surf, au gré de votre curiosité de surfeur, ce type de graphique n'aura plus de secret pour vous, vous y verrez les qualités et arguments d'une planche dans une vague donnée. Mieux, vous pourrez les expliquer. Nous pouvons, par exemple, à partir des courbes de traînée et forces propulsive d'une planche de surf, analyser ses aptitudes au take off (voir physique du take off). Nous pouvons aussi analyser la manœuvrabilité d'une planche (voir manœuvrabilité surf) pour un surfer, une planche et une vague spécifique.
Des shapers comme, Blake, Simmons ou greenougth..., ont fait progresser le surf. Les qualifier de génies du surf est très respectueux, mais nous mutile de toute tentative de compréhension de leur travail. Ces shapers n'étaient pas des génies mystics, mais des simples surfers suffisamment passionnés pour étudier, et appliquer méthodiquement les principes hydrodynamiques de base. C'est ainsi qu'il ont fait progresser le surf, tel que nous le connaissons aujourd'hui. Leur force est ordinaire et commune à chacun: c'est la curiosité et la mémoire! Les frères Wrights, mémorisaient patiemment sur des carnets, durant des mois, les données et forces mesurées sur des maquettes d'ailes, expérimentées avec la première soufflerie de l'histoire, bricolée dans leur petit atelier. Mesurer, mémoriser, comparer et découvrir les paramètres de l’efficacité constitue la méthode a l'origine de l'aéro et hydrodynamique. Qualifier ces hommes de génies, occulte le plus précieux de ce qu'ils sont. Ils sont de simples fabricants de vélos, qui découvrent, grâce à leur méthode, comment les faire voler.
Vélo volant des frères Wright 1904: Un moteur, des ailes, des hélices... et une méthode!
Les professionnels du surf sont des marins curieux, ils observent et aiment comprendre la physique du surf et des vagues. Le shaper est comme l'architecte naval, dans l'obligation de comprendre pourquoi le navigateur obtient de bonnes, ou de mauvaises performances Les deux cas l’intéressent autant pour progresser. Lorsqu'une planche est parfaite, en terme de stabilité, manœuvrabilité et capacité d’accélération, d’après les retours de sensations d'un surfer de 80 kg, le professionnel doit quantifier les réels atouts de cette planche pour ce surfer. La stabilité, et la traînée hydrodynamique d'une planche donnée, en fonction du poids du surfers, sont deux qualificateurs majeurs du fonctionnement d'une planche, qui pourrons renseigner le shaper sur l'efficacité d'une planche. Nous découvrirons plus loin quelques exemples d'applications de l'hydrodynamique du surf et leur atouts pour le shaper...
Définitions et exemples d'application hydrodynamique du surf:
Mesures normalisées: Pour simplifier la comparaison entre planches, il est plus facile de parler en cotes normalisées: la position normalisée du tail est de zéro, et la position normalisée du nose est 1. la position 0.5 est au centre de la planche. On passe de la longueur normalisé à la longueur réelle en multipliant simplement la longueur normalisée, par la longueur de planche. les dimension normalisées, n’ont pas d'unité, fini le pouce et les mètres ou les inchs! Les hydrodynamiciens aiment se simplifier la vie, il parlent donc en dimensions normalisés.
Le flux relatif et l'incidence: Pour l'hydrodynamicien, le flux, sa vitesse et sa direction, sont toujours des flux relatif, c'est a dire que l'on considère toujours que le surfer est la référence et que c'est le flux qui vient vers lui. Un surfer tracté a 40 km/h reçoit un flux relatif de 40 km/h. L'incidence est l'angle suivant le quel ce flux relatif entre en contact avec la planche. (Voir flux relatif et incidence surf)
l'angle de dérive: L'angle formé entre l'axe longitudinale d'une planche (ou d'un bateau) et la direction du flux relatif est l'angle de dérive (dérapage) , ou drift en anglais. (voir angle drift/ dérive surf)
Diagramme de positions surf: Voici 3 diagrammes (ci dessous) montrant en couleurs les diverses positions (centre d'appui) stables du surfer sur une planche donnée, à 3 vitesses: 15, 25 et 33 km/h. Chacun des points de couleurs représente une position, et sa couleur indique la force de traînée hydrodynamique que cette position engendre:
Diagramme de traînée en fonction des diverses positions du surfeur(Logiciel ShaperWaveDynamics)
Sur chaque schémas, deux positions sont remarquables: la position de traînée maximale(drag max) et la position de traînée minimale (drag min). Des bulles indiquent la traînée et sa répartition en friction et planing pour ces positions remarquables. La position de traînée maximale nous renseigne su la force de freinage maximale que le surfer pourra générer. La position de traînée minimale nous indique la force minimale de traînée, et par conséquent la position optimale de prise de vitesse. Il est primordial pour la compréhension de l'hydrodynamique du surf , de constater que la position optimale de traînée minimum varie en fonction de la vitesse: Cette position optimale, de traitée minimale, recule avec la vitesse. Elle passe dans cet exemple, respectivement de 0.46, a 0.4 et 0.3, aux vitesses de 15, 25 et 33 km/h. Ceci provient du fait que la traînée est composée de 2 types de traînées: la traînée de friction, et la traînée forme, qui évoluent différemment en fonction de la vitesse. Le surfer aura intérêt à reculer, pour diminuer la surface de friction a grande vitesse, et augmenter l'angle d'incidence pour obtenir le meilleur compromis. Nous serons donc attentif au fait que la position optimale du surfer varie en fonction de la vitesse.
Le diagramme de traînée hydrodynamique, montre comment les forces de résistances de friction et de forme (ou planing) se combinent en fonction des angles d'incidence et de la vitesse relative du surfer, en position de génération de traînée minimale sur sa planche:
Exemple de variation de traînée et incidence en fonction de la vitesse(Logiciel ShaperWaveDynamics)
la courbe avec les silhouettes de surfers représente la variation de l'angle de planing en degré qui diminue avec la vitesse ainsi que le régime planing ou déplacement du surfer. la courbe noire montre le cumul de la traînée de friction (courbe triangles gris) et de planing (carrés gris). 3 marqueurs (lignes verticales bleues) montrent les vitesses de crête de vague de 1, 2 et 3 m . La ligne horizontale rouge montre la force de rame moyenne d'un surfer athlétique. Ce graphique est valide pour un poids de surfer donné,(ici 80 kg), une pente donnée (ici 0°), une longueur , forme et volume de planche donné.
Rappelons que la force de traînée hydrodynamique représente la résistance à l'avancement, à une vitesse donnée. Si à 5 km/h, la force de traînée est de 130 newtons, le surfer devra trouver un force propulsive de 130 newtons pour conserver cette vitesse. Si la force de propulsion est supérieure, le surfer accélère. Si la force de propulsion est inférieur à la traînée, le surfer perd de la vitesse, il freine. Comprendre cette règle c'est comprendre le moteur du surfer.
Ce que nous apprends ce graphique, est par exemple la vitesse de rame que pourra atteindre un surfer produisant 100 newtons de poussée a la rame: c'est l'endroit ou la courbe de traînée croise la ligne rouge de poussée de 100 newtons: 4 km/h. Nous voyons aussi qu'a cette vitesse le surfeur est encore immergé (mention "sink") et ne profite pas de suffisamment de force de planing pour réduire son volume immergé, il génère donc beaucoup de résistance a l'avancement. Le planing atteint 100% aux environs de 9 km/h avec un angle de 22° d'incidence. C'est a partir de cet instant que la courbe de traînée commence à descendre, faisant bénéficier le surfer d'une meilleur glisse.
Nous avons vu que le surfer à besoin de force propulsive pour conserver ou augmenter sa vitesse. Il dispose pour cela de plusieurs sources: la rame, la gravité, la flottaison, une voile ou tout autre tracteur comme un jet ski ou une hélice par exemple. Il suffit de connaitre les forces propulsive et les forces de résistance pour savoir si le surfer accélère ou freine. La gravité génère une force verticale qui ne procure aucune propulsion sur une surface horizontale. Mais lorsque la pente de la surface sur laquelle flotte, ou plane le surfer, augmente, une force propulsive est produite. C'est le moteur à gravité du surfer, et c'est de loin le plus puissant et grisant à utiliser.
Remarquez que l'on a employé deux termes différent pour la portance: Flotter et Planer sur la surface en pente. Dans un cas, c'est la force de flottaison qui porte le surfer, et dans l'autre c'est la force de planing.
- La force de portance de flottaison, est produite par le volume d'eau déplacée, la poussée d’Archimède (buoyancy) est perpendiculaire à la surface: sur une surface d'eau au repos, elle est verticale, mais sur une surface de vague en pente elle est perpendiculaire à la pente!) et agit même sans vitesse du surfer, La force de flottaison pouvant s'exercer sans vitesse, nous la nommons Portance hydrostatique:
- La force de portance de planing est produite par la vitesse et l'angle d'incidence de la surface mouillée de la planche (surface en contact avec l'eau) il n'y a pas de planing sans vitesse et sans angle d'incidence. et vous aurez deviné le nom de la force de planing, liée a la vitesse: Portance hydrodynamique. Une méthode de calcul de portance hydrodynamique du surf est proposée au chapitre méthode calcul surf
force hydrodynamique
force hydrostatique
Si nous montrons la force propulsive dans notre graphique de traînée, sous une pente de 10 degrés, nous obtenons:
la courbe bleu de force propulsive (points triangles) , rencontre la courbe noir de traînée a 6 km/h, cela signifie que la pente de 10 degrés propulse le surfeur a 6 km/h, mais pour aller plus vite il faudra plus de pente ou plus de poussée. Si nous ajoutons a la courbe bleu la force de 100 newton de rame nous pourrions passer le pic de résistance a 250 newton et nous envoler vers le planing et les grandes vitesses. En d'autre terme , cette planche est surfable a 10 degrés de pente pour ce surfer si il a la force de rame de 100 newtons, par contre si il ne peut produire que 50 newtons de poussée a la rame, cette planche ne lui permettra pas de partir sur une pente de 10 degrés, il devra attendre qu'elle se forme davantage, voici la même planche a 20 degrés de pente:
A 20 degrés la force propulsive ne rencontre plus de limite, et l'on observe un surplus de poussée qui serra de l'accélération. Malheureusement le surfer qui pouvait produire 100 newtons de rame, est déjà sur la vague depuis ses 10 degrés, il faudra attendre la prochaine vague ou faire des pompes, ou choisir une planche avec plus de volume de flottaison, qui produira plus de poussée a 10 degrés!
Le logiciel ShaperWaveDynamics propose une fonction d’analyse qui collecte les données pour chaque angle de pente. nous pouvons ainsi déduire la pente minimale de take off pour un surfer et une planche donnée sur une vague de hauteur et période donnée. L’étude du take off permet ainsi de choisir précisément le volume et la taille d'une planche en fonction du surfer et de la vague qu'il désire surfer, en utilisant le concept de pente minimale de take off. Voir: Contions et analyse de take off en surf
- Le diagramme de stabilité latérale et maniabilité , montre comment le déplacement latéral modifie l'angle de roulis (et par conséquent le rayon de courbure de trajectoire voir: virage surf et trajectoires roulis) Le moment de roulis indique la force qu'il faut appliquer pour mettre de l'angle de roulis. Plus le moment est élevé, plus il est difficile de faire carver la planche.
Exemple de diagramme de stabilité pour une planche de 2.26 m de longueur et 589 mm de large, a 9,16 et 20 km/h avec un surfer 80 kg. l'axe vertical représente le roulis en degrés. L'axe horizontal représente le déplacement du centre d'appui du surfer en latéral, le zéro est au centre de la planche et l’extrémité droite de l'axe horizontale est au rail. La zone instable, ou la position d’appui entraine le retournement de la planche, est représentée par une bande verticale grise. La zone de stabilité est de 252 mm de large à 9 km/h, elle couvre toute la largeur à 16 km/h et revient à 250 mm à 20 km/h. L’intérêt de ce type de diagramme est au niveau de l'analyse de maniabilité. Plus la largeur de stabilité est importante, plus la planche est stable. Ces chiffres ne parlent pas trop au premiers abords, mais une comparaison de deux configurations de volume de planches semblables en terme de forme aux même vitesse , indique clairement la variation d'effort à produire pour mettre la planche sur un angle de roulis donné.
Le rayon de courbe de trajectoire qui définit le virage est le résultat de l’équilibre des forces centrifuges et des forces de portances projetées suivant l'angle de roulis. Voir virage de surf
Les diagrammes vus plus haut, sont construits en positionnant pour chaque vitesse, le centre d'appui du surfeur à la distance du tail générant la traînée minimale. Une cartographie des valeurs de traînées en fonction des positions pour chaque vitesse, à donc été préalablement établie:
hydroscan positionnant la traînée minimale a 16 km/h, cette position optimale change avec la vitesse.
Ces outils d'analyses étant brièvement décrits, nous pouvons les utiliser pour comparer les variations de performances d'un poids à un autre, pour une planche afin de vérifier si elle est adaptée au surfer,
- en terme de manœuvrabilité: Voir manœuvrabilité surf
- en terme d'aptitude au take off: voir analyse take off