Articles

Roller Coaster Science: Thrills, Thills, and Physics

pierwszy roller coaster na Coney Island, który został otwarty w czerwcu 1884 roku, ledwo oceniał sekcję dziecięcą współczesnego parku rozrywki. “Switchback Railway” ciągnęła się z prędkością zaledwie 6 mil na godzinę przez szereg łagodnych wzgórz.

w dzisiejszych czasach kolejki górskie mogą przepuścić Cię przez pętle, wysłać krzycząc na 38 pięter, aby chwilowo podnieść się bez grawitacji, a nawet powiesić Cię na szelkach, kończynach zwisających, strzelaniu przez korkociągi, przełączniki i zakręty Kobry, z twoim życiem w rękach inżynierii. Prawdopodobnie żadna inna rozrywka nie sprawia, że fizyka jest tak trzewna jak Kolejka Górska. Oto szybkie załamanie sił, które powodują, że żołądek spada-i utrzymuje Cię na miejscu.

wspinając się na Wzgórze

na najstarszych kolejkach górskich, pierwsze wzgórze (znane również jako “wzgórze wyciągowe”) było zawsze najwyższe, aby wykorzystać jego energię potencjalną, która jest iloczynem masy pociągu, standardowego przyspieszenia grawitacyjnego na Ziemi (9,8 metra na sekundę do kwadratu) i wysokości wzgórza. Energia potencjalna jest inwestowana w obiekty na podstawie ich położenia w układzie-w tym przypadku w polu grawitacyjnym.

(w rzeczywistości są też inne rodzaje energii potencjalnej. Istnieje elastyczna energia potencjalna spowodowana deformacją jakiegoś elastycznego obiektu (takiego jak, powiedzmy, kula przymocowana do sprężyny, która została rozciągnięta), oraz elektryczna energia potencjalna i magnetyczna energia potencjalna.)

kiedy kolejka górska zaczyna latać w dół wzgórza, zyskuje energię kinetyczną i traci energię potencjalną. Energia kinetyczna pociągu znajduje się w najwyższym punkcie toru, wystarczającym do przepchnięcia go przez kolejne mniejsze wzniesienia i zakręty.

Squash and Stretch

G-force to termin, który często się obraca, ale w rzeczywistości nie jest to właściwa “siła”; jest to produkt przyspieszenia. Na Ziemi znajdujesz się w środowisku o masie 1 G. przyspieszaj z dala lub w tym samym kierunku, w którym Ziemia pociąga twoje ciało i tworzysz równą i przeciwną reakcję, którą możesz poczuć w swojej wadze.

kiedy przyspieszasz w górę na roller coasterze, dodane Gs (czasami nazywane “dodatnim g”) sprawia, że czujesz się jak cięższy i zgnieciony w dół. Podobnie, gdy przyspieszasz w dół (np. gdy jesteś przywiązany do kolejki górskiej, która nurkuje ze wzgórza), możesz doświadczyć negatywnych sił G, które podnoszą cię z fotela.

kontrolowanie sił przeciążeniowych jest jednym z głównych problemów w projektowaniu kolejek górskich-zbyt wiele przeciążeń lub zbyt szybkie przejście między dodatnimi i ujemnymi przeciążeniami może zmienić się w niewygodne lub nawet niebezpieczne.

Wykonywanie skrętu

przyspieszanie wokół poziomego skrętu również tworzy siłę G, w tym przypadku zwaną ” bocznym G.”Jeśli jest wystarczająco silny, boczne Gs mogą czasami rzucać pasażerów o bok wagonu. Aby tego uniknąć, kolejki górskie są często budowane z pochylonymi zakrętami. Pomaga to przekształcić część bocznego G w dodatnie lub ujemne G, zmniejszając ilość przesuwania.

Gwintowanie pętli

jak pozostać na miejscu podczas pętli? To kolejna równowaga fizyki. Ruch wzdłuż zakrzywionej ścieżki tworzy przyspieszenie dośrodkowe, które wskazuje na środek urojonego okręgu narysowanego przez krzywą. Pozostajesz jednak na swoim miejscu, ponieważ w grę wchodzi jeszcze jeden czynnik: bezwładność. Twoje ciało naturalnie chce podążać prostą ścieżką, a to w połączeniu z przyspieszeniem dośrodkowym tworzy uczucie wypchnięcia Na zewnątrz-zjawisko czasami nazywane “siłą odśrodkową”, chociaż podobnie jak siła G, nie jest to właściwie Siła właściwa.

jeśli spojrzysz na nowoczesną kolejkę górską, możesz zauważyć, że pętle loop-de-loops są bardziej ukształtowane jak krople łez niż koła. Ten kształt, zwany clothoid, wykorzystuje prostą fizykę, aby ułatwić zarówno pociąg, jak i pasażerów. Kluczowym czynnikiem jest fakt, że w przeciwieństwie do okrągłej pętli, która ma pojedynczy promień, pętla clothoid ma mniejszy promień na górze.

różnica promieni jest ważna, ponieważ aby pociąg mógł ukończyć pętlę, przyspieszenie dośrodkowe wagonów musi być większe lub równe przyspieszeniu grawitacyjnemu. Ponieważ przyspieszenie dośrodkowe jest iloczynem prędkości kwadratowej podzielonej przez promień pętli, zmniejszenie promienia na górze automatycznie zwiększa przyspieszenie dośrodkowe na górze. Tak więc pociąg nie musi podróżować niesamowicie szybko, aby ukończyć pętlę. Gdy pociąg opuszcza pętlę, szerszy promień na dole pętli naturalnie zmniejsza przyspieszenie dośrodkowe, co z kolei zmniejsza ilość Gs nałożoną na jeźdźców.

aby zagłębić się w clothoidy i fizykę pętli loop-de-loop, sprawdź tę stronę informacyjną opracowaną przez Uniwersytet w Göteborgu i szwedzki Park rozrywki Liseberg.

teraz, mam nadzieję, że będziesz wiedział wystarczająco dużo o siłach stojących za kolejkami górskimi, aby zapewnić rozrywkę swoim przyjaciołom i rodzinie, podczas gdy wszyscy czekacie w kolejce, aby doświadczyć ekscytującego terroru fizyki.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.