EPSの浮力についての考察

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「EPSの浮力が大きいのは、中に空気がたくさん入っているから」

こんな話を聞いたことはありませんか?
もしアルキメデスが耳にしたら、腰を抜かしてしまいそうな内容ですが、今回はそのEPSの浮力について考えてみたいと思います。

まず、サーフボードの浮力を計算してみましょう。
アルキメデスの原理によれば、浮力は次の式で表されます。

F = ρVg

  • F:浮力
  • ρ:ボードを浮かせている海水の密度
  • V:ボードの体積
  • g:重力加速度

地球上では重力加速度 g は一定なので、この式から分かるように、浮力は ボードの体積浮かせている液体の密度 で決まります。
海水の密度は場所や温度によって多少変化しますが、ほぼ一定と考えて問題ありません。
つまり、浮力の大きさは サーフボードの体積だけ で決まるのです。

したがって、サーフボードの内部に 空気ヘリウム、あるいは 水素ガス が入っていたとしても、浮力には影響しません。

しかし、実際にはサーフボードの自重による重力が浮力と相殺されるため、EPSで軽量化された分だけ 浮きやすく なります。
例えば、EPSで 体積30Lのボード を作ると、PU(ポリウレタン)よりも 約600g 軽くなります。

海水の密度を簡単のため 1g/cm³(= 1kg/L)とすると、30Lのボードの浮力は 30kg になります。

軽量化による浮力の増加率を計算すると、

0.6kg ÷ 30kg = 0.02 = 2%

意外なことに、EPSで同じサイズのボードを作っても、浮力は わずか2% しか増えていないのです。

しかし、実際にEPSのサーフボードに乗ったときの感触は、明らかに別次元のものです。
「たった2%の違い」とは到底思えないほど、大きな変化を感じる人がほとんどでしょう。

では、この感覚の違いはどこから来るのでしょうか?

その要因は、質量(慣性)の違い にあると考えられます。

例えば、PU製の体積30Lのサーフボードの質量が3kgだとすると、EPS製の同じボードは約600g軽量になります。
この600gの差は、次の計算から20%の質量差に相当します。

0.6kg ÷ 3kg = 0.2 = 20%

ニュートンの運動方程式(運動の第2法則)は、次の式で表されます。

F = ma

  • F:力
  • m:質量
  • a:加速度

この式によれば、質量 m加速度 a は反比例の関係にあります。
つまり、20%軽いEPSのサーフボードは、同じ力 F が加わったとき、20%大きな加速度で動きます。

その結果、わずかな力でもボードが大きく反応し、動きが機敏になります。
この特性が不安定さを生み出し、感覚的に「ふわふわする」乗り心地につながるのです。

これこそが、

「EPSの浮力が大きいのは、中にたくさん空気が入っているからだよ」

という誤解を生む、本当の理由なのかもしれません。

 

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EPSでサーフボードを作る際の適切なサイズ調整

では、実際に役立つ話として、EPSでサーフボードを作る際にどのくらい小さくすればよいのかを考えてみましょう。

単純に浮力を同じにするだけであれば、水の比重を1とすると、EPSの軽量化による浮力の増加分を補正するために、ボードの体積を0.6Lほど減らせばよいことになります。

これをマシンシェイプの設計プログラムでシミュレーションすると、6フィートクラスで、同じデザインのボードなら約1.6mm(1/16インチ)薄くシェイプすればよい計算になります。

また、幅と厚さをそのままにして長さを短くする場合は、ボードの形状にもよりますが、約4cm(1.5インチ)短くすれば同等の浮力になると考えられます。

ロングボードの場合の調整

ロングボードではどうでしょうか?

私がシェイプする9’0”クラスのPerformerは、体積が約60Lあります。これをEPSで作ると、約1.2kg軽量化できます。

この場合、浮力をそろえるために1.2L体積を減らせばよいので、先ほどと同じく約1.6mm薄くシェイプするのが適切な調整になります。

ロングボードにはレギュレーションがあるため、長さを短くするのは難しいでしょう。
その場合、同じ厚さのまま幅を調整して体積を減らす方法があります。
約1.2cm細くすれば、同じ浮力になる計算です。

ウェーブプールでの浮力変化

最近話題のウェーブプールについても、興味深い点があります。

真水のプールでは、サーフボードの浮力が減少します。
これは、海水と真水の比重の違いによるものです。

  • 海水1kg には 約30gの塩分 が溶けており、
  • 水温24℃ での比重は 約1.024 になります。

つまり、同じボードを真水のプールで使うと、浮力は海水より約2.4%減少することになります。

これは、先ほど計算したEPSによる浮力増加分(約2%)とほぼ同じです。

つまり、普段PUで乗っているボードとまったく同じサイズでEPSのボードを作れば、真水のウェーブプールでの浮力減少分をちょうど補うことができるのです。

これは、意外と理にかなった調整方法で、EPSボードがウェーブプールで良いフィーリングを生む理由の一つかもしれません。

 

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