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Ciencia de la Montaña Rusa: Emociones, Escalofríos y Física

La primera montaña rusa en Coney Island, que abrió sus puertas en junio de 1884, apenas tendría valor en la sección para niños de un parque de atracciones moderno. El “tren de retorno” caminaba a solo seis millas por hora sobre una serie de suaves colinas.

Hoy en día, las montañas rusas pueden ponerte a través de bucles de bucle, enviarte gritando 38 pisos para elevarte momentáneamente libre de gravedad, e incluso colgarte de un arnés para hombros, extremidades colgando, disparando a través de sacacorchos y curvas y giros de cobra, con tu vida en manos de la ingeniería. Podría decirse que ninguna otra actividad de ocio hace que la física sea tan visceral como la montaña rusa. He aquí un rápido resumen de las fuerzas que causan el estómago a caer y mantenerlo en su asiento.

Subiendo la colina

En las montañas rusas más antiguas, la primera colina (también conocida como “lift hill”) siempre fue la más alta, para explotar su energía potencial, que es el producto de la masa del tren, la aceleración estándar de la gravedad en la Tierra (9,8 metros por segundo cuadrado) y la altura de la colina. La energía potencial se invierte en objetos en función de su posición en un sistema, en este caso, en un campo gravitacional.

(En realidad, también hay otros tipos de energía potencial. Hay energía potencial elástica causada por la deformación de algún objeto elástico (como, por ejemplo, una bola unida a un resorte que se ha estirado), y energía potencial eléctrica y energía potencial magnética también.)

Cuando la montaña rusa comienza a volar cuesta abajo, gana energía cinética y pierde energía potencial. En la parte inferior de la colina del ascensor, la energía cinética del tren está en el punto más alto que estará en la vía, lo suficiente como para empujarlo a través de la sucesión de colinas y giros más pequeños.

Fuerza G de Squash y estiramiento

es un término que se usa mucho, pero en realidad no es una “fuerza” adecuada; es un producto de la aceleración. En la Tierra, estás en un entorno de 1 G. Acelera lejos de o en la misma dirección que el tirón de la Tierra sobre tu cuerpo, y creas una reacción igual y opuesta que puedes sentir en tu peso.

Cuando aceleras hacia arriba en una montaña rusa, la Gs añadida (a veces llamada “G positiva”) hace que sientas que eres más pesado y estás aplastado hacia abajo. Del mismo modo, cuando aceleras hacia abajo (como cuando estás atado a una montaña rusa que se zambulle por una colina), puedes experimentar fuerzas G negativas que te levantan de tu asiento.

Controlar las fuerzas G es una de las principales preocupaciones en el diseño de montañas rusas: demasiados Gs, o una transición demasiado rápida entre G positiva y negativa, pueden pasar de emocionante a incómodo o incluso peligroso.

Hacer el giro

Acelerar alrededor de un giro horizontal también crea una fuerza G, en este caso llamada “G lateral”.”Si es lo suficientemente fuerte, el Gs lateral a veces puede lanzar a los pasajeros contra el costado de un vagón de tren. Para evitar esto, las montañas rusas a menudo se construyen con giros inclinados. Esto ayuda a convertir parte de la G lateral en una G positiva o negativa, reduciendo la cantidad de deslizamiento.

Enhebrar el bucle

¿Cómo se queda en su asiento durante un bucle de bucle? De nuevo, es otro equilibrio de la física. El movimiento a lo largo de una trayectoria curva crea una aceleración centrípeta, que apunta al centro del círculo imaginario dibujado por la curva. Sin embargo, te quedas en tu asiento porque hay otro factor en juego: la inercia. Su cuerpo naturalmente quiere seguir adelante en un camino recto, y esto combinado con la aceleración centrípeta crea una sensación de ser empujado hacia afuera, un fenómeno a veces llamado “fuerza centrífuga”, aunque como la fuerza G no es realmente una fuerza adecuada.

Si miras una montaña rusa moderna, es posible que notes que los bucles de bucle tienen más forma de lágrimas que de círculos. Esta forma, llamada clotoide, utiliza física simple para facilitarlo tanto al tren como a los pasajeros. El factor clave es el hecho de que, a diferencia de un bucle circular, que tiene un solo radio, el bucle clotoide tiene un radio más pequeño en la parte superior.

La diferencia de radios es importante porque, para que un tren complete un bucle, la aceleración centrípeta de los coches debe ser mayor o igual a la aceleración de la gravedad. Dado que la aceleración centrípeta es el producto de la velocidad al cuadrado dividida por el radio del bucle, la disminución en el radio en la parte superior aumenta automáticamente la aceleración centrípeta en la parte superior. Por lo tanto, el tren no tiene que viajar increíblemente rápido para completar el bucle. A medida que el tren sale del bucle, el radio más amplio en la parte inferior del bucle disminuye naturalmente la aceleración centrípeta, lo que a su vez disminuye la cantidad de Gs impuesta a los pasajeros.

Para una inmersión más profunda en los clothoids y la física de loop-de-loops, consulte esta página informativa producida por la Universidad de Gotemburgo y el parque de atracciones Liseberg de Suecia.

Ahora, con suerte, conocerán lo suficiente sobre las fuerzas detrás de las montañas rusas para mantener entretenidos a sus amigos y familiares mientras esperan en la fila para experimentar el terror emocionante de la física.

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