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世上最近的距离,不是直线间两点的交引,而是走在正确的路上,义无反顾。

疯狂过山车

2018-08-01

幻灯片

       主要原理

       过山车是一项富有刺激性的娱乐工具。那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣的话,那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感,还有助于理解力学定律。实际上,过山车的运动包含了许多物理学原理,人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果,那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子,只要收紧你的腹肌,保护好肠胃就行了。当然,如果你受身体条件和心理承受能力的限制,无法亲身体验过山车带来的种种感受,你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。

在刚刚开始时,过山车的小列车是依靠弹射器的推力或者链条爬上最高点的,但在第一次下行后,就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上,从这时起,带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是重力势能,即由势能转化为动能、又由动能转化为重力势能这样一种不断转化的过程构成的。

第一种能,即重力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量,它是由于物体和地球的重力相互作用而产生的。对过山车来说,它的势能在处于最高点时达到了最大值,也就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大。当过山车开始下降时,它的势能就不断地减少(因为高度下降了),但能量不会消失,而是转化成了动能,也就是运动的能量。不过,在能量的转化过程中,由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量,从而损耗了少量的机械能(动能和势能)。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘略矮一点的原因。

       过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。事实上,下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快,这是由于重力作用于过山车中部的质量中心的缘故。这样,乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点,从而就会产生一种要被抛离的感觉,因为质量中心正在加速向。尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的,否则在到达顶峰附近时,小车厢就可能脱轨飞出去。

       车头部的车厢情况就不同了,它的质量中心在“身后”,在短时间内,它虽然处在下降的状态,但是它要“等待”质量中心越过高点被重力推动。

       过山车的竖直立环是一种离心机装置,当列车接近回环时,乘客的惯性速度笔直地指向前方。但车厢一直沿轨道行进,使乘客的身体无法按直线运动。于是重力推着乘客离开车厢的地板,而惯性则将乘客向地板方向挤压。乘客本身的外向惯性产生惯性力,使乘客即使在头朝下时也能牢牢地停留在车厢的底部。当然乘客需要某种安全护具来保证自己的安全,但在大多数大回环中,无论有没有护具,乘客都会停留在车厢中。

       当列车沿着回环移动时,作用在乘客身上的合力在不断地变化。在回环的最底部,因为加速度朝上,所以轨道对游客向上的支撑力要大于重力,此时游客可以感觉到超重的现象,即感觉特别沉重。当一路冲上回环时,重力则把乘客向地板的方向推。所以乘客会感到重力将您向座位方向挤压。

       在回环的顶部,乘客完全倒转了过来,指向地面的重力以及轨道的向下的支持力想把乘客拖出座位,但支持力和重力仅与离心力平衡,即提供运动所需的向心力,此时若是飞车的速度较小,小到所产生的离心力小于重力的话,飞车就会有掉落的危险,所以,在回环顶部的时候要求有一定的速度以保证安全。同时也是由于离心力的存在,抵消了一部分重力,于是乘客会产生失重现象,感觉身体变得极轻。等列车驶出回环,沿水平方向行进,乘客又会回到原来的重力。

       大回环的魅力在于,它在短短的一段轨道中塞进了丰富的元素。在几秒钟内,作用在乘客身上的力不断变化,从而让人体验到各种不同的感觉。当这些力作用于身体的各个部位时,眼睛会看到整个世界都倒了过来。对于许多过山车乘客而言,在回环顶部是整个运行过程中最精彩的一刻,人们会感到身体轻如羽毛,眼中只能看到天空。

       在大回环中,竖直加速度的强度是由两个因素决定的:列车的速度和弯道的角度。当列车进入回环时,它拥有最大的动能,也就是说,它以最快的速度移动。在回环的顶部,重力已经在一定程度上降低了列车的速度,所以列车拥有更多的势能,但动能减少了,也就是说它以较低的速度移动,但速度不能够低于某一个安全行驶的速度。

       过山车的设计师们最早采用的是正圆形回环。在这种设计中,一路上的弯道角度是一个常数。为了在回环顶部产生足够的竖直加速度以压迫列车紧贴轨道,设计师们必须让列车以相当快的速度进入回环(如此可使列车在回环顶部仍能快速行进)。更快的速度意味着乘客在进入回环时会受到更大的作用力,而这可能会让乘客很不舒服。

       水滴形设计使这些力的平衡变得更加容易。回环顶部的弯道角度比回环侧面更急促。这样可以让列车以足够快的速度穿过回环,使之在回环顶部拥有充足的加速力,而且水滴形设计会在侧面产生较小的竖直加速度。这提供了维持过山车一切运行所需的力,而不致将过大的力施加在可能有危险的部位。

       一旦过山车走完了它的行程,制动装置就会非常安全地使过山车停下来。减速的快慢是由制动气缸中气体的压力来控制的。


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