1.过山车是一种令人兴奋的娱乐。很多人都被闪电般的速度和侥幸脱险的快感迷住了。如果你对物理感兴趣,你不仅可以体验冒险的乐趣,还可以帮助理解力学定律。其实过山车的运动包含了很多物理原理,在设计过山车的时候就巧妙地运用到了。如果能体验到能量守恒、加速度和力交织在一起的效果,那就太好了。这次处理物理不用动脑子,绷紧腹肌,保护好肚子就行了。当然,如果你受到身体条件和心理承受能力的限制,无法体验到过山车带来的感受,不妨站在一旁,仔细观察过山车的运动情况和乘坐者的反应。
2.过山车的小火车刚开始是靠弹射器或者链条的推力爬到最高点的,但是第一次下降后就没有装置给它提供动力了。事实上,从这一刻开始,唯一驱动它沿着轨道前进的“发动机”将是引力势能,它是由一个从势能到动能、从动能到引力势能的连续转化过程组成的。
3.第一种能量,即引力势能,是物体因其位置而拥有的能量,是物体与地球引力相互作用产生的。对于过山车来说,它的势能在最高点的时候达到最大,也就是爬到一个“山”的顶峰的时候。过山车开始下降时,其势能不断减少(因为高度降低),但能量并没有消失,而是转化为动能,即运动的能量。但是,在能量转换过程中,由于车轮与过山车轨道之间的摩擦而产生热量,从而损失了少量的机械能(动能和势能)。这也是为什么设计中后续山丘开始处的山丘略短的原因。
4.过山车的最后一节车厢是过山车送给勇敢乘客的最激动人心的礼物。其实,过山车的后车厢,坠落的感觉最强烈。因为最后一辆车通过最高点的速度比过山车头部的车要快,这是因为地心引力作用在过山车中间的质心上。这样坐在最后一节车厢的人就可以快速到达并越过最高点,从而产生一种因为质心在加速而被扔掉的感觉。后车厢的轮子牢牢扣在轨道上,否则小车厢到了顶峰可能会脱轨飞出。
5.车厢在车头的情况就不一样了。它的质心在“后面”。短时间内,虽然处于下降状态,但要“等待”质心越过高点,被重力推动。
6.过山车的垂直立环是一种离心装置。当列车接近环路时,乘客的惯性速度指向正前方。但是车厢一直沿着轨道运动,阻止了乘客的身体直线运动。然后重力把乘客推离车厢地板,惯性把乘客推向地板。乘客向外的惯性产生惯性力,使乘客即使头朝下也能牢牢地停留在车厢底部。当然,乘客需要某种保护装置来保证自身的安全,但在大多数大循环中,乘客会在有或没有保护装置的情况下留在列车内。
7.当列车沿环线行驶时,作用在乘客身上的合力是不断变化的。在环路底部,由于加速度是向上的,所以轨道对游客的向上支撑力大于重力。这时候游客就能感觉到超重,也就是感觉特别重。当一路冲向环路时,重力将乘客推向地板。因此,乘客会感觉到重力将你向座位挤压。
8.在环路顶部,乘客完全反转,指向地面的重力和轨道向下的支撑力想把乘客拖出座位,但支撑力和重力只是用离心力平衡,即提供运动所需的向心力。此时如果飞车速度小,产生的离心力小于重力,飞车就会有坠落的危险,所以要求在回路顶部有一定的速度,以保证安全。同时离心力抵消了一部分重力,乘客会减轻体重,感觉特别轻。当列车离开环线,水平方向行驶时,乘客会回到原来的重力状态。
9.大回环的魅力在于它在一条短赛道上有丰富的元素。在几秒钟内,作用在乘客身上的力不断变化,让人体验到不同的感受。当这些力作用在身体的各个部位时,眼睛就会看到整个世界都颠倒了。对于很多过山车乘客来说,环顶是整个运行过程中最激动人心的时刻。人会觉得轻如羽毛,眼里只看到天空。
10.在大回路中,垂直加速度的强度由两个因素决定:列车的速度和曲线的角度。列车进入环路时,动能最大,也就是以最快的速度行驶。在回路的顶端,重力已经在一定程度上降低了列车的速度,所以列车的势能更多,但是动能降低了,也就是说它以较低的速度运动,但是速度不能低于一定的安全行驶速度。
11.过山车的设计者首先采用了圆环。在这个设计中,沿着道路的曲线角度是一个常数。为了在环线顶部产生足够的垂直加速度将列车压向轨道附近,设计人员必须让列车以相当快的速度进入环线(这样列车在环线顶部仍然可以快速行驶)。速度更快意味着乘客在进入环路时会受到更大的力,这可能会让乘客感到不舒服。
12.水滴设计使得平衡这些力更容易。环顶部的弯曲角度比环侧面的弯曲角度更尖锐。这样列车就能以足够快的速度通过环线,使其在环线顶部有足够的加速力,而水滴形设计会在侧面产生较小的垂直加速度。这提供了保持过山车所有运行所需的力,而不会对潜在的危险部件施加过大的力。
13.一旦过山车完成它的旅程,制动装置将非常安全地停止过山车。减速速度由制动缸中的气压控制。过山车(router过山车)是一种机动化的娱乐设施,经常在游乐园和主题公园中发现。过山车虽然恐怖,但基本上是一个非常安全的设施,受到很多年轻游客的喜爱。
14.美国发明家、商人拉马克斯阿德纳汤普森(lamarcus adna thompson)是第一个注册过山车相关专利技术的人(1885年1月20日),制造了数十种过山车设施,因此被誉为“重力之父”。