Un surfeur et un scientifique ont fait équipe pour créer la vague parfaite

"Vous auriez dû être ici hier."

C'est une ligne de gag répétée dans The Endless Summer, le documentaire classique de 1966 qui suit deux surfeurs globetrotting dans une quête pour trouver la vague parfaite. Les bonnes vagues de surf sont une rareté, et même lorsque toutes les forces se rassemblent, la magie est fugace. Peu de plages ont un contour inférieur qui peut transformer une houle en vagues que les surfeurs veulent monter, et même alors, les caprices de la houle - sa taille, son angle, sa périodicité - mélangés à des vents et des marées en constante évolution et loin entre.

Dans un pays agricole de la Californie centrale, à 175 kilomètres de la plage la plus proche, un champion de surf et un spécialiste de la mécanique des fluides se sont associés pour changer cela. Dans un lac artificiel de 700 mètres de long, ils ont conçu un système qui entraîne une lame de métal soigneusement formée appelée hydrofoil dans l'eau. Au fur et à mesure que la houle résultante balaie le fond du lac, que les scientifiques délimitent précisément à l'aide de supercalculateurs, elle se transforme en une vague de surf de perfection surnaturelle - encore et encore et encore.

En septembre dernier, 18 surfeurs professionnels sont venus au Surf Ranch pour participer au Future Classic. Le but du concours était d'évaluer si la piscine, qui n'est pas ouverte au public, peut servir de lieu de compétition pour la tournée de championnat de la World Surf League (WSL), organisée dans le cadre de pauses de premier ordre dans le monde entier. Le concours simulé, parrainé par la World Surf League (WSL) qui régit le surf professionnel - et est co-détenu par le milliardaire Dirk Ziff - comprenait des juges, des annonceurs et des écrans géants qui présentaient chaque vague et ralentis de replays. "L'expérience qu'ils ont créée pour les surfeurs avec cette vague est sans pareil", a déclaré le compétiteur Adrian Buchan, qui est actuellement classé 15ème sur le WSL Championship Tour de cette année.

Les chercheurs du domaine de Fincham sont aussi impressionnés que les surfeurs. Selon Olivier Eiff, ingénieur mécanicien spécialisé en mécanique des fluides environnementaux à l'Institut de Technologie de Karlsruhe en Allemagne, les scientifiques qui étudient les ondes se concentrent généralement sur leurs effets sur l'érosion, l'échange de gaz entre l'océan et l'air et les structures riveraines. Mais il ne peut pas nommer un seul collègue qui sculpte des vagues, un défi décourageant dans la dynamique des fluides. "C'est un travail incroyable", dit Eiff. "Je ne connais personne d'autre qui a le courage d'attaquer la complexité d'un si gros problème."

Les cellules de ce maillage représentent l'air et l'eau, et le groupe de Fincham a fait des calculs pour chacun d'eux et comment ils interagissent les uns avec les autres - ilustration: ADAM FINCHAM E ALEX POIROT

Si des pools de vagues similaires sont construits autour du globe, comme l'espèrent les adeptes de Surf Ranch, ils pourraient fondamentalement modifier le monde du surf. Sur la blogosphère de surf, de grands soucis ont déjà fait surface que "la vague de Kelly" enlève l'attrait naturel du surf et pourrait engendrer des hordes odieuses de débutants qui vont encombrer davantage les pauses océaniques. Mais l'émerveillé dépasse de loin les opposants. "Je vois le jour où le meilleur surfeur du monde vient de Little Rock, en Arkansas", déclare le champion du monde de 1968 Fred Hemmings de Kailua, Hawaii. "C'est le début d'une énorme révolution".

Les piscines à vagues pour le surf remontent à plus de 50 ans, mais même les meilleures pâles en comparaison d'un bon spot de surf océanique. Dans l'océan, les tempêtes créent des ondes de gravité de surface qui roulent dans les eaux profondes et n'interagissent avec le fond que lorsque la profondeur de l'eau est environ la moitié de la distance entre les crêtes successives (la longueur d'onde). Trois choses se produisent alors: la longueur d'onde se raccourcit, la hauteur augmente, et la crête se déplace plus vite que le point le plus bas de l'onde, le creux. Lorsque la hauteur de la vague est à peu près la même que la profondeur de l'eau, la vague se brise et les surfeurs surfent.

Si le fond a juste le bon contour et que le vent souffle de terre à mer ou est immobile, une houle est transformée en une vague déferlante qui se décolle uniformément vers la gauche ou la droite, avec l'eau blanche se déplaçant sur le visage comme une constante. rideau de fermeture. Les vagues plus raides peuvent se lancer dans un tube, permettant aux surfeurs plus expérimentés de rouler pendant quelques secondes à l'intérieur du canon. Une balade de 30 secondes sur une vague océanique est remarquablement longue et peu de spots offrent régulièrement des tonneaux.

En 2006, Slater, le surfeur le plus célèbre au monde, s'est approché de Fincham, qui a relevé le défi d'imiter la nature dans un tank. "Je n'avais aucune idée de qui il était", dit Fincham, qui a grandi en Jamaïque et a commencé à surfer seulement quand il est venu à l'USC. Pour développer la vague, Slater a fondé sa propre société nommée éponyme, qui a rapidement embauché Fincham.

Adam Fincham, un spécialiste de la mécanique des fluides à l'Université de Californie du Sud, et le surfeur Kelly Slater ont utilisé des simulations de superordinateurs pour affiner leur vague. photo: JON COHEN

Fincham est, par plusieurs récits, follement créatif et obstiné. Il a publié des travaux sur des sujets aussi ésotériques que la vélocimétrie par imagerie numérique des particules pour le diagnostic laser et la turbulence de la grille en décomposition dans un fluide stratifié en rotation. Mais Slater raconte que Fincham et lui ont tous les deux une touche de trouble obsessionnel-compulsif. «Si vous n'avez pas quelqu'un qui est passionné par les choses, il ne le fera pas différemment de quelqu'un qui l'a fait auparavant», a déclaré Slater.

Les réservoirs dans les laboratoires font généralement des vagues de quelques centimètres de haut, ce qui peut être modélisé avec des équations linéaires: ce que vous mettez dedans prédit de façon fiable ce qui est produit.

Mais essayer d'imiter une houle plus importante en produisant des vagues abruptes libère des forces non linéaires, y compris la turbulence; une couche mince et lente au sommet de la houle («la couche limite»); et des oscillations de tout le corps d'eau appelé seiching. «La non-linéarité est omniprésente», dit Eiff, ce qui rend diaboliquement difficile la réalisation d'une vague artificielle.

La littérature scientifique sur la sculpture ondulatoire ne fonctionne pas en profondeur. Les demandes de brevet américaines de Fincham et Slater ne font référence qu'à deux articles scientifiques sur les ondes, tous deux écrits par des physiciens / mathématiciens éminents dans les années 1870. Donc, en dehors des autres dépôts de brevets sur les vagues de surf, Fincham et Slater étaient largement indépendants.

Ils ont commencé dans un réservoir de vague de laboratoire. Alors que de nombreuses piscines à vagues utilisent des pagaies, des plongeurs, des caissons ou d'autres stratégies pour projeter efficacement l'eau dans l'air, l'équipe de Fincham a conçu un hydrofoil partiellement submergé dans l'eau. En traversant la piscine, l'hydroptère déplace l'eau sur le côté (mais pas vers le haut) et recule ensuite sur l'onde en formation pour «récupérer» une partie de l'eau qu'elle a repoussée. Le résultat est ce que les physiciens appellent une onde solitaire, ou soliton, qui imite une houle individuelle dans l'océan ouvert.

Ensuite, l'expérience de surfeur de Slater est arrivée. «C'était le travail de [Fincham] de comprendre comment faire pour gonfler, et c'était mon travail de trouver comment briser cette houle», dit-il. Il faut un "récif" peu profond de la bonne forme pour transformer une houle en vague de surf. Pour affiner la forme du fond de la piscine, l'équipe s'est appuyée sur l'apport de Slater et sur des superordinateurs massivement parallèles qui devaient souvent fonctionner pendant des semaines à la fois pour effectuer une simulation. In silico, une onde est un maillage de millions de cellules qui représentent l'air et l'eau.

Les calculs pour chacune des cellules et la façon dont elles interagissent les unes avec les autres simulent l'onde en évolution au fur et à mesure qu'elle développe un visage et un baril. Les calculs sont "mathématiquement horribles", dit Geoffrey Spedding, un spécialiste de la mécanique des fluides de l'USC qui a collaboré avec Fincham mais qui a eu peu d'influence sur ce projet.

L'équipe de Fincham a transféré les résultats du laboratoire au Surf Ranch, une piscine rectangulaire qui était à l'origine un lac artificiel de ski nautique. L'hydroptère - imaginez une aile d'avion courbée, trapue et orientée verticalement - se trouve dans l'eau à quelques mètres de profondeur. Il est attaché à un engin de la taille de quelques wagons et, avec l'aide de plus de 150 pneus et câbles de camions, il parcourt une piste sur toute la longueur de la piscine jusqu'à 30 kilomètres à l'heure. Cela crée un soliton de plus de 2 mètres de haut. Le fond de la piscine, qui a la sensation de ressort d'un tapis de yoga, a différentes pentes dans différentes parties, et les contours déterminent quand et comment le soliton se brise. Les brevets décrivent également des «actionneurs» dans l'hydroptère qui permettent d'ajuster la taille et la forme de l'onde en fonction des différents niveaux de compétence.

ilustração: V. ALTOUNIAN/ Revista Science

L'hydroptère se déplace vers le haut de la piscine pour créer une vague qui se brise de droite à gauche. Les gouttières géantes servent d'amortisseurs pour réduire les seiches et limiter les rebonds des murs qui bordent la piscine, mais il faut 3 minutes pour que les eaux se calment. Ensuite, l'hydroptère redescend dans la piscine et forme une onde qui se brise dans la direction opposée. Le trajet peut durer 50 secondes, et la vague alterne entre de grands visages pour sculpter des sections. Les spectateurs ont hululé sauvagement lors de cette compétition de septembre où Stephanie Gilmore, qui a remporté le titre féminin à six reprises, est restée dans le canon pendant 14 secondes étonnantes.

En plus de fournir un nouveau format de concours - les organisateurs des Jeux olympiques ont pris note - la vague pourrait servir de plate-forme d'entraînement pour les surfeurs de haut niveau et un cadre contrôlé pour les débutants à apprendre. Le potentiel commercial a conduit WSL Holdings, la société mère à l'origine de la tournée du championnat, à acquérir une participation majoritaire dans la société d'ondes de Slater. Mais certains voient un projet de nouveauté de plusieurs millions de dollars qui est commercialement condamné. "La vague est fantastique, épique, tout le monde aimerait bien surfer", explique Tom Lochtefeld, un inventeur de San Diego, en Californie, dont la compagnie Wave Loch produit le FlowRider, une "nappe" d'eau montée sur ce qui ressemble à un snowboard. . "Mais c'est un dinosaure évolutif."

Lochtefeld, dont le FlowRider est sur 200 sites, soutient que le système hydrofoil comporte trop d'éléments mécaniques. "Il est lourd de pannes", dit-il. "Et quand vous avez cette classe de transfert d'énergie et que beaucoup d'eau en mouvement, la piscine est tellement foutu." Ce ne serait pas non plus un donateur, dit-il. Selon le calcul de Lochtefeld, vous devez créer une vague au moins toutes les 10 secondes - ou au moins un million de vagues par an - pour faire un profit sur une vague de surf artificielle. Wavegarden, une société basée en Espagne qui fait des vagues semblables à l'océan montées sur des planches régulières et est ouverte au public à deux endroits, se vante de pouvoir produire des vagues toutes les 4 secondes.

Mais WSL Holdings - qui ne révélera pas combien il a investi ou ce qu'il en coûte pour faire fonctionner le Surf Ranch - ne prévoit pas de vendre des manèges sur les ondes en soi. En plus d'organiser des concours professionnels, l'entreprise espère construire des parcs de surf avec des hôtels, des salles de concert et des détaillants.

Slater prévoit que les surfeurs riches pourraient vouloir acheter dans les stations balnéaires privées de luxe construites autour d'une vague, semblable aux communautés de golf haut de gamme de Discovery Land Company autour du monde. Et Fincham et son équipe ont amélioré les vagues, notamment en testant différents récifs, en augmentant la taille de la houle et en ajoutant même des ventilateurs géants pour contrôler le vent.

Un jour, prédit Fincham, il peut être possible de faire une vague de surf qui permet maintenant des manœuvres impensables, comme une boucle de boucle dans le canon. "Nous avons la vague naturelle parfaite, et bon, c'est cool", dit-il. "Mais qu'en est-il d'une vague surnaturelle qui défie presque la nature?"

Là encore, il y a quelque chose de surnaturel dans la vague qu'ils ont déjà créée. Demandez aux quelques personnes qui ont visité le Surf Ranch et vu la vague. Ils ne racontent pas avec nostalgie à leurs amis ce qu'ils ont vu hier. Ils parlent d'avoir vu demain.

Source: Science