Articles

Roller Coaster Science: Thrills, Rills, and Physics

de eerste achtbaan op Coney Island, die geopend werd in juni 1884, zou nauwelijks in de kiddie sectie van een hedendaags pretpark staan. De “Switchback Railway” trundd langs met slechts zes mijl per uur over een reeks van zachte heuvels.

tegenwoordig kunnen achtbanen je door loop-de-loops loodsen, je 38 verdiepingen laten schreeuwen om tijdelijk vrij van zwaartekracht op te staan, en je zelfs ophangen aan een schouderharnas, ledematen a-bengelen, schieten door kurkentrekkers en switchbacks en cobra bochten, met je leven in de handen van engineering. Geen enkele andere vrijetijdsbesteding maakt fysica zo visceraal als de achtbaan. Hier is een snelle analyse van de krachten die ervoor zorgen dat je maag te laten vallen – en houdt u op uw stoel.

het beklimmen van de heuvel

op de oudste achtbanen was de eerste heuvel (ook bekend als de “lift hill”) altijd de hoogste, om de potentiële energie te benutten, die het product is van de massa van de trein, de standaard versnelling van de zwaartekracht op aarde (9,8 meter per seconde kwadraat), en de hoogte van de heuvel. Potentiële energie wordt geïnvesteerd in objecten op basis van hun positie in een systeem—in dit geval in een zwaartekrachtveld.

(er zijn eigenlijk ook andere soorten potentiële energie. Er is elastische potentiële energie veroorzaakt door vervorming van een elastisch object (zoals, Laten we zeggen, een bal bevestigd aan een veer die is uitgerekt), en elektrische potentiële energie en magnetische potentiële energie ook.)

wanneer de achtbaan naar beneden begint te vliegen, wint hij kinetische energie en verliest hij potentiële energie. Onderaan de lift is de kinetische energie van de trein op het hoogste punt dat hij op het spoor zal zijn, genoeg om hem door de opeenvolging van kleinere heuvels en bochten te duwen.

Squash en Stretch

G-force is een term die vaak wordt gebruikt, maar het is eigenlijk geen echte “kracht”; het is een product van versnelling. Op aarde ben je in een omgeving van 1 G. versnel weg van of in dezelfde richting als de aantrekkingskracht van de aarde op je lichaam, en je creëert een gelijke en tegengestelde reactie die je kunt voelen in je gewicht.

wanneer u op een achtbaan naar boven versnelt, geeft de toegevoegde Gs (soms “positieve G” genoemd) het gevoel dat u zwaarder bent en neerwaarts wordt geplet. Evenzo, wanneer je naar beneden versnelt (zoals wanneer je vastgebonden bent in een achtbaan die een heuvel afdaalt), kun je negatieve G-krachten ervaren die je uit je stoel tillen.

het beheersen van G-krachten is een van de belangrijkste problemen in het achtbaanontwerp—te veel Gs, of een te snelle overgang tussen positieve en negatieve G, kan veranderen van spannend naar ongemakkelijk of zelfs gevaarlijk.

door de draai

rond een horizontale draai te versnellen, ontstaat ook G-kracht, in dit geval ” laterale G.”Als het sterk genoeg is, kan laterale Gs soms passagiers tegen de zijkant van een treinwagon gooien. Om dit te voorkomen, worden achtbanen vaak gebouwd met gebogen bochten. Dit helpt bij het omzetten van een deel van de laterale G in een positieve of negatieve G, waardoor de hoeveelheid die u glijdt over.

Threading The Loop

hoe blijf je op je stoel tijdens een loop-de-loop? Nogmaals, het is een andere balans van de fysica. Beweging langs een gebogen pad creëert centripetale versnelling, die wijst naar het centrum van de denkbeeldige cirkel getekend door de kromme. Je blijft echter op je stoel omdat er nog een andere factor speelt: inertie. Je lichaam wil natuurlijk op een rechte weg blijven, en dit in combinatie met centripetale versnelling creëert een gevoel van naar buiten geduwd worden—een fenomeen dat soms “centrifugale kracht” wordt genoemd, hoewel het net als G-kracht niet echt een juiste kracht is.

als je naar een moderne achtbaan kijkt, zou je kunnen merken dat de loop-de-lussen meer de vorm hebben van tranen dan van cirkels. Deze vorm, een clothoid genaamd, maakt gebruik van eenvoudige fysica om het gemakkelijker te maken voor zowel de trein als de passagiers. De belangrijkste factor is het feit dat in tegenstelling tot een cirkelvormige lus, die een enkele straal heeft, de clothoid lus heeft een kleinere straal aan de bovenkant.

het verschil in radii is belangrijk omdat, om een trein een lus te laten voltooien, de middelste versnelling van de auto ‘ s meer dan of gelijk moet zijn aan de versnelling van de zwaartekracht. Aangezien centripetale versnelling het product is van de snelheid in het kwadraat gedeeld door de straal van de lus, verhoogt de afname van de straal aan de bovenkant automatisch de centripetale versnelling aan de bovenkant. De trein hoeft dus niet ongelooflijk snel te reizen om de lus te voltooien. Als de trein de lus verlaat, vermindert de bredere straal aan de onderkant van de lus natuurlijk de centripetale versnelling, die op zijn beurt de hoeveelheid Gs die aan de rijders wordt opgelegd vermindert.

voor een diepere duik in clothoids en de fysica van loop-de-loops, kijk op deze informatieve pagina geproduceerd door de Universiteit van Göteborg en het Zweedse pretpark Liseberg.

nu, hopelijk, weet je genoeg over de krachten achter achtbanen om je vrienden en familie te vermaken terwijl jullie allemaal in de rij wachten om de spannende terreur van de fysica te ervaren.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.