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Roller Coaster Science: Thrills, Chills, and Physics

The first roller coaster at Coney Island, which opened in June 1884, would mal rate in the kiddie section of a modern-day amusement park. A “Switchback Railway” percorreu apenas seis milhas por hora ao longo de uma série de colinas suaves.Hoje em dia, as montanhas-russas podem colocá-lo em loop-de-loops, enviá-lo gritando 38 andares para se levantar momentaneamente livre da gravidade, e até mesmo pendurá-lo de um arnês dos ombros, membros balançando através de corkscrews e switchbacks e cobra voltas, com sua vida nas mãos da engenharia. Sem dúvida, nenhuma outra actividade de lazer torna a física tão visceral como a montanha-russa. Aqui está um breve colapso das forças que fazem com que seu estômago caia—e mantê-lo em seu assento.

subindo a colina

nas montanhas-russas mais antigas, a primeira colina (também conhecida como a “colina elevador”) era sempre a mais alta, de modo a explorar a sua energia potencial, que é o produto da massa do comboio, a aceleração padrão da gravidade na Terra (9,8 metros por segundo quadrado), e a altura da colina. A energia potencial é investida em objetos com base em sua posição em um sistema—neste caso, em um campo gravitacional.

(existem na verdade outros tipos de energia potencial, também. Há energia elástica potencial causada pela deformação de algum objeto elástico (como, por exemplo, uma bola presa a uma mola que foi esticada), e energia elétrica potencial e energia magnética potencial também.)

quando a montanha-russa começa a voar pela colina abaixo, ela ganha energia cinética e perde energia potencial. No fundo da Colina do elevador, a energia cinética do comboio está no ponto mais alto da pista, o suficiente para a empurrar através da sucessão de colinas menores e curvas.

Squash and Stretch

G-force é um termo que se bandied sobre muito, mas na verdade não é realmente uma “força” adequada; é um produto da aceleração. Na terra, Você está em um ambiente de 1 G. acelere para longe ou na mesma direção que a atração da terra em seu corpo, e você cria uma reação igual e oposta que você pode sentir em seu peso.

quando você acelera para cima em uma montanha-russa, o GS adicionado (às vezes chamado de “G positivo”) faz com que pareça que você é mais pesado e sendo esmagado para baixo. Da mesma forma, quando você acelera para baixo (como quando amarrado em uma montanha-russa que está mergulhando em uma colina), você pode experimentar forças G negativas que o elevam para fora de seu assento.

controlar as forças-G é uma das principais preocupações no design da montanha—russa-muitos Gs, ou uma transição muito rápida entre g positivo e G negativo, pode deixar de se entusiasmar para desconfortável ou até mesmo perigoso.

Fazendo a

Acelerando em torno de um horizontais sua vez também cria força-G, neste caso chamado de “lateral G.”Se forte o suficiente, Gs laterais podem às vezes atirar passageiros contra o lado de um vagão de trem. Para evitar isso, as montanhas-russas são muitas vezes construídas com curvas de banco. Isso ajuda a converter parte do G lateral em um G positivo ou negativo, reduzindo a quantidade que desliza sobre.

roscar o laço

como é que se fica no seu lugar durante um laço-de-loop? Mais uma vez, é outro equilíbrio da física. O movimento ao longo de um caminho curvado cria aceleração centrípeta, que aponta para o centro do círculo imaginário desenhado pela curva. No entanto, você fica no seu lugar porque há outro fator em jogo: A inércia. Seu corpo, naturalmente, quer continuar em um caminho reto, e isso combinado com a aceleração centrípeta cria uma sensação de ser empurrado para fora—um fenômeno às vezes chamado de “força centrífuga”, embora como a força-G não seja realmente uma força adequada.Se você olhar para uma montanha-russa moderna, pode notar que os loop-de-loops têm mais a forma de lágrimas do que de círculos. Esta forma, chamada de clothoid, usa física simples para facilitar tanto no trem quanto nos passageiros. O fator chave é o fato de que ao contrário de um loop circular, que tem um único raio, o loop clothoid tem um raio menor no topo.

a diferença nos raios é importante porque, para que um comboio complete um loop, a aceleração centrípeta dos carros tem de ser maior ou igual à aceleração da gravidade. Desde a aceleração centrípeta é o produto da velocidade ao quadrado, dividido pelo raio do loop, a diminuição do raio no topo aumenta automaticamente a aceleração centrípeta no topo. Assim, o trem não tem que viajar incrivelmente rápido para completar o loop. À medida que o trem sai do laço, o raio mais largo na parte inferior do laço naturalmente diminui a aceleração centrípeta, que por sua vez diminui a quantidade de Gs imposta aos pilotos.

para um mergulho mais profundo em clothoids e a física de loop-de-loops, confira esta página informativa produzida pela Universidade de Gotemburgo e o parque de Diversões Liseberg da Suécia.Agora, espero que saibam o suficiente sobre as forças por trás das montanhas-russas para manter os amigos e a família entretidos enquanto esperam na fila para experimentar o terror emocionante da física.

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