翻滚过山车中的物理知识

翻滚过山车中的物理知识

理化组李江凌

翻滚过山车是一项富有刺激性的娱乐工具。那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了，当然，如果你的身体条件和心理承受能力的限制，无法亲身体验过山车带来的种种感受，你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。

在刚刚开始时，过山车的小列车是依靠一个机械装置的推力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是引力势能，即由势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。

第一种能，即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的。对过山车来说，它的势能在处于最高点时达到了最大值，也就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大。当过山车开始下降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但它不会消失，而是转化成了动能，也就是运动的能量。不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量，从而损耗了少量的

机械能（动能和势能）。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘那样的高度所需要的机械能少了。

过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。事实上，下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。这样，乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点，从而就会产生一种要被抛离的感觉，因为质量中心正在加速向。尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨飞出去。

车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在“身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态，但是它要“等待”质量中心越过高点被引力推动。

加速度

速率(有方向的速度) 的改变称为加速度。一个物体加速，减速，或改变方向, 称之为加速度。大部分大型游乐设备包括加速度。当下坡，或急速转弯, 设备可能提高速率或加速度。当上坡，或沿直线运动, 设备可能减小速率或减速度。当过山车下坡，地心引力使车体运动的速度越来越快, 这是加速度。当过山车上坡，车体运动的速度越来越慢, 这是减速度。过山车的加速度与车体的质量和推拉的动力有直接的关系。

向心力

当过山车沿着回环运动, 向心力发生作用。向心力是物体沿着圆周运动而产生的. 例如当你沿着下滑曲线向地面运行, 地心引力使过山车沿直线作下滑运动,但是轨道是曲线的,向心力里又使过山车沿曲线运动. 乘客在过山车上的感觉是被抛离轨道, 但是地心引力又使车体的的确确运行在轨道上作圆周运动,所以指向圆周或曲线内部的动力是必须的。对于指向圆周或曲线内部的动力, 称之为向心力。

能量(动能+势能)

能量使物体工作

动能- 正被使用的能量, 能量产生运动。

势能--被储存的能量, 以后再使用

能量的守恒定率：能量可以从一种形式转化为另一种形式,但是不回自动生成和消失。

当马达驱动过山车攀登到达第一个坡度, 过山车储存越来越多的势能。当重力牵引过山车沿斜坡下滑, 势能又转化为动能。斜坡上离顶部越远，势能转化为动能就越多, 乘客能感觉到速度的加快。在斜坡的最底部, 速度最快。

当车体攀登第二个山坡，动能又逐渐转化为势能, 过山车的速度逐渐减慢。高度越高,意味着动能转化为势能越多。这个动能势能的转化守恒定律,保持过山车沿轨道上下运动。而动能的总量是保持不变,只是从一种形式转化为另一种形式。

请注意第一个山坡是过山车的最高点,为什么?

因为过山车在运动的过程中，一部分的能量转化摩擦力，风阻,车轮的转动和其他一些消耗能量的因素。过山车设计者充分考虑摩擦力在过山车运行中所扮演的角色。因此设计师降低山坡设计的高度, 以保证过山车能够完全驶过山坡。

过山车能够运行是因为两个基本点: 地球引力和能量守恒。

作用力

作用力的表现形式是推或拉。平衡的作用力表现为物体在受到几个力作用时,物体保持静止状态或匀速直线运动状态。非平衡力表现为物体在受到几个力作用时,物体保持非静止状态或变速直线运动状态

牛顿第一和第二定律定律特别符合过山车的工作原理，它们联系到重力和加速度。过山车从山坡的顶端是一系列复杂的倾斜的下降运动；但又是一个简单的力学原理。

摩擦力

两个互相接触的物体, 当它们发生相对运动时,就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力, 这种力就叫摩擦力.

摩擦力产生的条件是两物体相互接触, 且接触面粗糙, 有相互挤压; 两物体之间要发生或已经发生相对运动.

摩擦力阻碍物体相对运动或相对运动的趋势, 因此摩擦里的方向与物体相对运动或相对运动的趋势相反。所以在物体的运动中,一部分动能转化为摩擦力。过山车的设计者一定要知道摩擦力在车体运动中所起的作用。设计者可以用摩擦力以降低过山车行进中的速度和到站后的安全停止。

重力

由于地球的吸引里而使物体受到的力叫作重力.

对过山车最为重要和具有影响的是地球引力。地球引力使物体从一个点往另外一点运动。由于重力引起的加速或减速依据轨道倾斜的角度;坡度越陡, 加速或减速就越明显。

惯性

一个静止的物体，如过山车，没有外力的推拉, 它是不会运动的。物体质量越大, 惯性越大。

如果没有外力使过山车加速或减速, 行进中的过山车会按原来的方向继续运动。运行过山车的阻力改变它的速率是惯性的另一例子。

对于回环设计和，必须决定回环的大小尺度。惊险的过山车通常会有回环或螺旋设计。你惊险的经历不仅仅是飞快的速度，巨大的落差, 也包括令人难忘的上上下下的翻滚。