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Science des montagnes russes: Sensations fortes, frissons et physique

Les premières montagnes russes de Coney Island, qui ont ouvert leurs portes en juin 1884, se situeraient à peine dans la section réservée aux enfants d’un parc d’attractions moderne. Le “Switchback Railway” roulait à seulement six milles à l’heure sur une série de collines douces.

De nos jours, les montagnes russes peuvent vous faire passer à travers des boucles, vous envoyer crier 38 histoires pour vous lever momentanément sans gravité, et même vous pendre à un harnais d’épaule, les membres se balancent, tirant à travers des tire-bouchons et des lacets et des virages en cobra, avec votre vie entre les mains de l’ingénierie. Sans doute, aucune autre activité de loisirs ne rend la physique aussi viscérale que les montagnes russes. Voici une ventilation rapide des forces qui font tomber votre estomac — et vous maintiennent dans votre siège.

Gravissant la Colline

Sur les plus anciennes montagnes russes, la première colline (également appelée “lift hill”) était toujours la plus haute, afin d’exploiter son énergie potentielle, qui est le produit de la masse du train, de l’accélération standard de la gravité sur Terre (9,8 mètres par seconde au carré) et de la hauteur de la colline. L’énergie potentielle est investie dans des objets en fonction de leur position dans un système — dans ce cas, dans un champ gravitationnel.

(Il existe également d’autres types d’énergie potentielle. Il y a de l’énergie potentielle élastique causée par la déformation d’un objet élastique (par exemple, une boule attachée à un ressort qui a été étirée), ainsi que de l’énergie potentielle électrique et de l’énergie potentielle magnétique.)

Lorsque les montagnes russes commencent à descendre la colline, elles gagnent de l’énergie cinétique et perdent de l’énergie potentielle. Au bas du lift hill, l’énergie cinétique du train est au point le plus élevé qu’il sera sur la voie, assez pour le pousser à travers la succession de petites collines et de virages.

Squash and Stretch

G-force est un terme qui se banalise beaucoup, mais ce n’est en fait pas vraiment une “force” appropriée; c’est un produit d’accélération. Sur Terre, vous êtes dans un environnement de 1 G. Accélérez loin ou dans la même direction que la traction de la Terre sur votre corps, et vous créez une réaction égale et opposée que vous pouvez ressentir dans votre poids.

Lorsque vous accélérez vers le haut sur des montagnes russes, le Gs ajouté (parfois appelé “G positif”) donne l’impression que vous êtes plus lourd et que vous êtes écrasé vers le bas. De même, lorsque vous accélérez vers le bas (comme lorsque vous êtes attaché dans une montagne russe qui plonge dans une colline), vous pouvez ressentir des forces G négatives qui vous soulèvent de votre siège.

Le contrôle des forces G est l’une des principales préoccupations de la conception des montagnes russes — trop de Gs, ou une transition trop rapide entre G positif et négatif, peut basculer d’une excitation à une gêne, voire à une dangerosité.

Faire le Virage

Accélérer autour d’un virage horizontal crée également une force G, appelée dans ce cas “G latéral.”Si elles sont suffisamment solides, les GS latéraux peuvent parfois projeter les passagers contre le côté d’une voiture de train. Pour éviter cela, les montagnes russes sont souvent construites avec des virages relevés. Cela aide à convertir une partie du G latéral en un G positif ou négatif, réduisant ainsi la quantité de glissement.

Enfiler la boucle

Comment restez-vous dans votre siège pendant une boucle-de-boucle? Encore une fois, c’est un autre équilibre de la physique. Le mouvement le long d’un chemin incurvé crée une accélération centripète, qui pointe vers le centre du cercle imaginaire dessiné par la courbe. Cependant, vous restez assis car il y a un autre facteur en jeu: l’inertie. Votre corps veut naturellement suivre un chemin droit, et cela, combiné à une accélération centripète, crée une sensation d’être poussé vers l’extérieur — un phénomène parfois appelé “force centrifuge”, bien que comme la force G, ce n’est pas vraiment une force appropriée.

Si vous regardez des montagnes russes modernes, vous remarquerez peut-être que les boucles de boucles ont une forme plus semblable à des larmes qu’à des cercles. Cette forme, appelée clothoïde, utilise une physique simple pour faciliter la tâche du train et des passagers. Le facteur clé est le fait que contrairement à une boucle circulaire, qui a un seul rayon, la boucle clothoïde a un rayon plus petit sur le dessus.

La différence de rayons est importante car, pour qu’un train effectue une boucle, l’accélération centripète des wagons doit être supérieure ou égale à l’accélération de la gravité. Puisque l’accélération centripète est le produit de la vitesse au carré divisée par le rayon de la boucle, la diminution du rayon en haut augmente automatiquement l’accélération centripète en haut. Ainsi, le train n’a pas besoin de voyager incroyablement vite pour terminer la boucle. Lorsque le train sort de la boucle, le rayon plus large au bas de la boucle diminue naturellement l’accélération centripète, ce qui diminue à son tour la quantité de Gs imposée aux coureurs.

Pour une plongée plus profonde dans les clothoïdes et la physique des loop-de-loops, consultez cette page informative produite par l’Université de Göteborg et le parc d’attractions suédois Liseberg.

Maintenant, j’espère que vous en saurez assez sur les forces derrière les montagnes russes pour divertir vos amis et votre famille pendant que vous faites la queue pour vivre la terreur palpitante de la physique.

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