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Roller Coaster Science: Thrills, Chills, and Physics

Il primo roller coaster a Coney Island, che ha aperto nel giugno 1884, sarebbe a malapena tasso nella sezione kiddie di un moderno parco di divertimenti. Il “Switchback Railway” trundled lungo a soli sei miglia all ” ora su una serie di dolci colline.

Al giorno d’oggi, le montagne russe possono farti passare attraverso loop-de-loop, mandarti a urlare fino a 38 storie per sollevarti momentaneamente senza gravità, e persino appenderti da un’imbracatura a spalla, arti a-penzolare, sparare attraverso cavatappi e tornanti e giri di cobra, con la tua vita nelle mani dell’ingegneria. Probabilmente, nessun’altra attività per il tempo libero rende la fisica così viscerale come le montagne russe. Ecco una rapida ripartizione delle forze che causano il tuo stomaco a cadere—e ti tengono al tuo posto.

Salendo la collina

Sulle montagne russe più antiche, la prima collina (conosciuta anche come “lift hill”) era sempre la più alta, in modo da sfruttare la sua energia potenziale, che è il prodotto della massa del treno, dell’accelerazione standard della gravità sulla Terra (9,8 metri al secondo quadrato) e dell’altezza della collina. L’energia potenziale viene investita in oggetti in base alla loro posizione in un sistema—in questo caso, in un campo gravitazionale.

(Esistono anche altri tipi di energia potenziale. C’è energia potenziale elastica causata dalla deformazione di un oggetto elastico (come, ad esempio, una palla attaccata a una molla che è stata allungata), e anche energia potenziale elettrica e energia potenziale magnetica.)

Quando le montagne russe iniziano a volare giù per la collina, guadagna energia cinetica e perde energia potenziale. In fondo alla collina dell’ascensore, l’energia cinetica del treno è nel punto più alto che sarà sulla pista, abbastanza per spingerlo attraverso la successione di colline e curve più piccole.

Squash and Stretch

G-force è un termine che viene sbandierato molto, ma in realtà non è davvero una “forza” adeguata; è un prodotto di accelerazione. Sulla Terra, sei in un ambiente di 1 G. Accelera lontano da o nella stessa direzione della trazione terrestre sul tuo corpo, e crei una reazione uguale e opposta che puoi sentire nel tuo peso.

Quando acceleri verso l’alto su un ottovolante, il Gs aggiunto (a volte chiamato “G positivo”) fa sentire come se fossi più pesante e schiacciato verso il basso. Allo stesso modo, quando acceleri verso il basso (come mentre sei legato a un ottovolante che si tuffa giù da una collina), puoi sperimentare forze G negative che ti sollevano dal tuo posto.

Controllare le forze G è una delle preoccupazioni principali nel design delle montagne russe: troppi Gs, o una transizione troppo rapida tra G positivo e negativo, possono ribaltarsi da elettrizzanti a scomodi o addirittura pericolosi.

Fare la svolta

Accelerando attorno a una svolta orizzontale crea anche la forza G, in questo caso chiamata ” G laterale.”Se abbastanza forte, Gs laterale a volte può gettare i passeggeri contro il lato di un vagone del treno. Per evitare questo, le montagne russe sono spesso costruite con curve inclinate. Questo aiuta a convertire alcuni dei G laterali in un G positivo o negativo, riducendo la quantità di scivolare su.

Threading the Loop

Come fai a rimanere al tuo posto durante un loop-de-loop? Di nuovo, è un altro equilibrio della fisica. Il movimento lungo un percorso curvo crea un’accelerazione centripeta, che punta al centro del cerchio immaginario disegnato dalla curva. Tuttavia, rimani al tuo posto perché c’è un altro fattore in gioco: l’inerzia. Il tuo corpo vuole naturalmente andare avanti in un percorso rettilineo, e questo combinato con l’accelerazione centripeta crea una sensazione di essere spinto verso l’esterno—un fenomeno a volte chiamato “forza centrifuga”, anche se come la forza G non è davvero una forza adeguata.

Se si guarda a un moderno ottovolante, si potrebbe notare che i loop-de-loop hanno una forma più simile a lacrime che a cerchi. Questa forma, chiamata clothoid, utilizza una fisica semplice per rendere più facile sia il treno che i passeggeri. Il fattore chiave è il fatto che, a differenza di un ciclo circolare, che ha un raggio singolo, il ciclo clothoid ha un raggio più piccolo in cima.

La differenza di raggi è importante perché, affinché un treno completi un ciclo, l’accelerazione centripeta delle vetture deve essere maggiore o uguale all’accelerazione di gravità. Poiché l’accelerazione centripeta è il prodotto della velocità al quadrato diviso per il raggio del ciclo, la diminuzione del raggio in alto aumenta automaticamente l’accelerazione centripeta in alto. Pertanto, il treno non deve viaggiare incredibilmente veloce per completare il ciclo. Quando il treno esce dal circuito, il raggio più ampio nella parte inferiore del circuito diminuisce naturalmente l’accelerazione centripeta, che a sua volta diminuisce la quantità di Gs imposta ai piloti.

Per un tuffo più profondo in clothoids e la fisica di loop-de-loop, controllare questa pagina informativa prodotta dall’Università di Göteborg e parco divertimenti Liseberg della Svezia.

Ora, si spera, saprete abbastanza circa le forze dietro montagne russe per mantenere i vostri amici e la famiglia intrattenuti mentre tutti voi aspettate in fila per sperimentare il terrore emozionante della fisica.

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