Articles

Roller Coaster Science: Thrills, Chills, and Physics

Coney Islandin ensimmäinen vuoristorata, joka avattiin kesäkuussa 1884, tuskin kelpaisi nykyajan huvipuiston lastenosastolle. “Switchback Railway” kulki vain kahdeksan kilometrin tuntivauhtia useiden loivien kukkuloiden yli.

nykyään vuoristoradat voivat laittaa sinut silmukoiden läpi, lähettää sinut huutamaan 38 kerrosta ylös hetkellisesti ilman painovoimaa, ja jopa hirttää sinut olkavaljaista, raajoista roikkumaan, ampumaan korkkiruuvien ja vaihteiden läpi ja cobra-käännöksiä, henkesi tekniikan käsissä. Kiistatta mikään muu vapaa-ajan harrastus ei tee fysiikasta aivan niin sisäsiistiä kuin vuoristorata. Tässä nopea erittely voimista, jotka saavat vatsasi putoamaan-ja pitävät sinut paikallasi.

mäkeä

vanhimmissa vuoristoradoissa ensimmäinen mäki (tunnetaan myös nimellä “hissimäki”) oli aina korkein, jotta se voisi hyödyntää potentiaalienergiaansa, joka on peräisin junan massasta, maan painovoiman vakiokiihtyvyydestä (9,8 metriä sekunnissa neliössä) ja mäen korkeudesta. Potentiaalienergia sijoitetaan kappaleisiin sen mukaan, missä ne ovat systeemissä-tässä tapauksessa gravitaatiokentässä.

(on olemassa myös muunlaisia potentiaalienergioita. On elastista potentiaalienergiaa, joka johtuu jonkin elastisen kappaleen muodonmuutoksesta (kuten vaikkapa jouseen kiinnitetty pallo, joka on venynyt), ja myös sähköistä potentiaalienergiaa ja magneettista potentiaalienergiaa.)

kun vuoristorata alkaa lentää mäkeä alas, se saa liike-energiaa ja menettää potentiaalienergiaa. Hissimäen alapäässä junan liike-energia on radan korkeimmalla kohdalla, joka riittää työntämään sen pienempien mäkien ja käännösten läpi.

Squash and Stretch

G-force on termi, joka saa bandied noin paljon, mutta se ei oikeastaan ole oikea “voima”; se on tuote kiihtyvyys. Maan päällä olet 1 g: n ympäristössä.kiihdytä pois tai samaan suuntaan kuin maan vetovoima kehossasi, ja luot yhtä suuren ja vastakkaisen reaktion, jonka voit tuntea painossasi.

kun kiihdyttää vuoristoradalla ylöspäin, lisätty GS (jota joskus kutsutaan “positiiviseksi G: ksi”) saa tuntumaan siltä, että on painavampi ja litistyy alaspäin. Samoin, kun kiihdyttää alaspäin (kuten vaikka sidottu vuoristorata, joka sukeltaa mäkeä alas), voit kokea negatiivisia G-voimia, jotka nostavat sinut ylös istuimeltasi.

G-voimien hallinta on yksi vuoristoratamuotoilun päähuolista—liian monta G: tä eli liian nopea siirtyminen positiivisen ja negatiivisen g: n välillä voi kärjistyä jännittävästä epämukavaksi tai jopa vaaralliseksi.

käännöksen tekeminen

kiihtyminen vaakakierroksen ympäri luo myös G-voiman, tässä tapauksessa nimeltään ” lateral G.”Jos GS on tarpeeksi voimakas, se voi joskus heittää matkustajat junavaunun kylkeä vasten. Tämän välttämiseksi vuoristoratoja rakennetaan usein kallistetuilla kierroksilla. Tämä auttaa muuntaa joitakin sivusuunnassa G positiiviseksi tai negatiiviseksi G, vähentää määrä liukua noin.

silmukan pujottaminen

Miten pysyt paikallasi loop-de-Loopin aikana? Se on taas fysiikan tasapaino. Liike kaarevaa polkua pitkin synnyttää keskihakukiihdytyksen,joka osoittaa käyrän piirtämän kuvitteellisen ympyrän keskipisteen. Pysyt kuitenkin paikallasi, koska pelissä on toinenkin tekijä: inertia. Kehosi haluaa luonnollisesti jatkaa suoraa tietä, ja tämä yhdistettynä keskihakukiihdytykseen luo tunteen siitä, että sitä työnnetään ulospäin—ilmiötä kutsutaan joskus “keskipakoisvoimaksi”, vaikka se ei G-voiman tavoin ole oikea voima.

jos katsoo nykyaikaista vuoristorataa, saattaa huomata, että silmukat muistuttavat enemmän kyynelpisaroita kuin ympyröitä. Tämä muoto, jota kutsutaan clotoidiksi, käyttää yksinkertaista fysiikkaa helpottaakseen sitä sekä junassa että matkustajilla. Avaintekijä on se, että toisin kuin ympyräsilmukassa, jonka säde on yksi, kangassilmukassa on pienempi säde päällä.

säteiden ero on tärkeä, koska jotta juna voi suorittaa silmukan, vaunujen keskihakukiihtyvyyden on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin painovoiman kiihtyvyys. Koska keskihakukiihtyvyys on silmukan säteellä jaetun nopeuden tulo, säteen pieneneminen yläosassa Lisää automaattisesti keskihakukiihtyvyyttä yläosassa. Junan ei siis tarvitse kulkea uskomattoman nopeasti lenkin loppuun. Kun juna poistuu silmukasta, silmukan alaosassa oleva laajempi säde luonnollisesti pienentää keskihakukiihtyvyyttä, mikä puolestaan vähentää matkustajille määrättyä Gs: n määrää.

syvempi sukellus clotoideihin ja silmukoiden fysiikkaan löytyy tältä Göteborgin yliopiston ja ruotsalaisen Lisebergin huvipuiston tuottamalta informatiiviselta sivulta.

nyt toivottavasti tiedätte tarpeeksi vuoristoratojen takana olevista voimista pitääksenne ystävänne ja perheenne viihdytettyinä, kun odotatte jonossa kokeaksenne fysiikan sykähdyttävän kauhun.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.