Articles

Berg-och dalbana vetenskap: spänning, frossa och fysik

den första berg-och dalbanan på Coney Island, som öppnade i juni 1884, skulle knappt Betygsätta i barnsektionen i en modern Nöjespark. “Switchback Railway” trundled längs på bara sex miles per timme över en serie mjuka kullar.

nuförtiden kan Berg-och dalbanor sätta dig genom loop-de-loopar, skicka dig skrikande upp 38 berättelser för att tillfälligt stiga upp utan tyngdkraft och till och med hänga dig från en axelsele, lemmar a-Dingla, skjuta genom korkskruvar och växlar och cobra-svängar, med ditt liv i händerna på teknik. Förmodligen gör ingen annan fritidsaktivitet fysiken så visceral som berg-och dalbanan. Här är en snabb uppdelning av de krafter som får din mage att falla—och hålla dig i din plats.

klättring på kullen

på de äldsta berg-och dalbanorna var den första kullen (även känd som “lift hill”) alltid den högsta för att utnyttja sin potentiella energi, som är produkten av tågets massa, standardaccelerationen av tyngdkraften på jorden (9,8 meter per sekund kvadrat) och höjden på kullen. Potentiell energi investeras i objekt baserat på deras position i ett system—i detta fall i ett gravitationsfält.

( det finns faktiskt andra typer av potentiell energi också. Det finns elastisk potentiell energi orsakad av deformation av något elastiskt föremål (till exempel en boll fäst vid en fjäder som har sträckts ut) och elektrisk potentiell energi och magnetisk potentiell energi också.)

när berg-och dalbanan börjar flyga nerför backen får den kinetisk energi och förlorar potentiell energi. På botten av hissbacken är tågets kinetiska energi på högsta punkten det kommer att vara på banan, tillräckligt för att driva det genom följd av mindre kullar och svängar.

Squash och Stretch

G-force är en term som blir bandied om mycket, men det är faktiskt inte riktigt en riktig “kraft”; det är en produkt av acceleration. På jorden befinner du dig i en miljö på 1 G. accelerera bort från eller i samma riktning som jordens drag på din kropp, och du skapar en lika och motsatt reaktion som du kan känna i din vikt.

när du accelererar uppåt på en berg-och dalbana, får den tillagda Gs (ibland kallad “positiv G”) att känna att du är tyngre och pressas nedåt. På samma sätt, när du accelererar nedåt (som när du sitter fast i en berg-och dalbana som dyker nerför en kulle) kan du uppleva negativa G-krafter som lyfter dig upp ur din plats.

styrning av G-krafter är en av de främsta problemen i berg-och dalbana design-för många Gs, eller för snabb övergång mellan positiv och negativ G, kan tippa från spännande till obekväma eller till och med farliga.

att göra svängen

accelererar runt en horisontell sväng skapar också G-kraft, i detta fall kallad ” lateral G.”Om det är tillräckligt starkt kan laterala Gs ibland kasta passagerare mot sidan av en tågbil. För att undvika detta byggs berg-och dalbanor ofta med bankade svängar. Detta hjälper till att konvertera en del av den laterala G till en positiv eller negativ G, vilket minskar mängden du glider om.

tråda slingan

Hur stannar du i din plats under en loop-de-loop? Återigen är det en annan balans i fysiken. Rörelse längs en krökt bana skapar centripetalacceleration, som pekar mot mitten av den imaginära cirkeln ritad av kurvan. Men du stannar i din plats eftersom det finns en annan faktor i spel: tröghet. Din kropp vill naturligtvis fortsätta på en rak väg, och detta i kombination med centripetalacceleration skapar en känsla av att skjutas utåt—ett fenomen som ibland kallas “centrifugalkraft”, men som G-force är det inte riktigt en riktig kraft.

om du tittar på en modern berg-och dalbana kanske du märker att loop-de-looparna är formade mer som teardrops än som cirklar. Denna form, kallad en clotoid, använder enkel fysik för att underlätta både tåget och passagerarna. Nyckelfaktorn är det faktum att till skillnad från en cirkulär slinga, som har en enda radie, har clothoidslingan en mindre radie på toppen.

skillnaden i radier är viktig eftersom för att ett tåg ska kunna slutföra en slinga måste cars centripetalacceleration vara mer än eller lika med tyngdkraftsaccelerationen. Eftersom centripetalacceleration är produkten av hastigheten kvadrerad dividerad med slingans radie, ökar minskningen i radien högst upp automatiskt centripetalaccelerationen högst upp. Således behöver tåget inte resa otroligt snabbt för att slutföra slingan. När tåget lämnar slingan minskar den bredare radien längst ner på slingan naturligt centripetalaccelerationen, vilket i sin tur minskar mängden Gs som åläggs ryttarna.

för en djupare dyk i clotoids och fysik loop-de-loops, kolla in denna informativa sida producerad av Göteborgs universitet och Sveriges Liseberg Nöjespark.

nu kommer du förhoppningsvis att veta tillräckligt om krafterna bakom berg-och dalbanor för att hålla dina vänner och familj underhållna medan du alla väntar i kö för att uppleva fysikens spännande skräck.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.