den første rutsjebane på Coney Island, der åbnede i Juni 1884, ville næppe bedømme i kiddie-sektionen i en moderne forlystelsespark. “Omskiftningsbanen” trillede med kun seks miles i timen over en række blide bakker.
i dag kan rutsjebaner sætte dig gennem loop-de-loops, sende dig skrigende op 38 historier for øjeblikkeligt at rejse dig fri for tyngdekraften og endda hænge dig fra en skuldersele, lemmer a-Dingle, skyde gennem korketrukker og omskiftninger og cobra-sving, med dit liv i hænderne på teknik. Formentlig gør ingen anden fritidsaktivitet fysik helt så visceral som rutsjebanen. Her er en hurtig opdeling af de kræfter, der får din mave til at falde—og holde dig i dit sæde.
klatring af bakken
på de ældste rutsjebaner var den første bakke (også kendt som “lift hill”) altid den højeste for at udnytte dens potentielle energi, som er produktet af togets masse, standard acceleration af tyngdekraften på jorden (9,8 meter pr. Potentiel energi investeres i objekter baseret på deres position i et system—i dette tilfælde i et tyngdefelt.
(der er faktisk også andre typer potentiel energi. Der er elastisk potentiel energi forårsaget af deformation af noget elastisk objekt (som f.eks.)
Når rutsjebanen begynder at flyve ned ad bakken, får den kinetisk energi og mister potentiel energi. I bunden af liftbakken er togets kinetiske energi på det højeste punkt, det vil være på banen, nok til at skubbe det gennem rækkefølgen af mindre bakker og sving.
knus og stræk
G-force er et udtryk, der bliver bandied meget, men det er faktisk ikke rigtig en ordentlig” kraft”; det er et produkt af acceleration. På jorden er du i et miljø på 1 G. Accelerer væk fra eller i samme retning som jordens træk på din krop, og du skaber en lige og modsat reaktion, som du kan føle i din vægt.
når du accelererer opad på en rutsjebane, får den tilføjede Gs (undertiden kaldet “positiv G”) det til at føle, at du er tungere og bliver presset nedad. Ligeledes, når du accelererer nedad (som når du er fastgjort i en rutsjebane, der dykker ned ad en bakke), kan du opleve negative G-kræfter, der løfter dig op af dit sæde.styring af G-kræfter er en af de primære bekymringer i rutsjebane design-for mange Gs, eller for hurtig overgang mellem positiv og negativ G, kan tip fra spændende til ubehageligt eller endda farligt.
gør turnen
acceleration omkring en vandret tur skaber også G-kraft, i dette tilfælde kaldet “lateral G.”Hvis den er stærk nok, kan lateral Gs undertiden kaste passagerer mod siden af en togbil. For at undgå dette er rutsjebaner ofte bygget med bankede sving. Dette hjælper med at konvertere noget af lateral G til en positiv eller negativ G, hvilket reducerer det beløb, du glider om.
trådning af løkken
hvordan bliver du i dit sæde under en loop-de-loop? Igen er det en anden balance i fysikken. Bevægelse langs en buet sti skaber centripetal acceleration, som peger mod midten af den imaginære cirkel tegnet af kurven. Du bliver dog i dit sæde, fordi der er en anden faktor i spil: inerti. Din krop ønsker naturligvis at fortsætte i en lige vej, og dette kombineret med centripetal acceleration skaber en følelse af at blive skubbet udad—et fænomen, der undertiden kaldes “centrifugalkraft”, men som G-force er det ikke rigtig en ordentlig kraft.
Hvis du ser på en moderne rutsjebane, kan du bemærke, at loop-de-loops er formet mere som tårer end som cirkler. Denne form, kaldet en klud, bruger simpel fysik for at gøre det lettere for både toget og passagererne. Nøglefaktoren er det faktum, at i modsætning til en cirkulær sløjfe, der har en enkelt radius, har tøjsløjfen en mindre radius på toppen.
forskellen i radier er vigtig, fordi for at et tog skal fuldføre en løkke, skal bilens centripetale acceleration være mere end eller lig med tyngdeaccelerationen. Da centripetal acceleration er produktet af hastigheden kvadreret divideret med sløjfens radius, øger faldet i radius øverst automatisk centripetal acceleration øverst. Således behøver toget ikke at rejse utroligt hurtigt for at fuldføre sløjfen. Når toget forlader løkken, reducerer den bredere radius i bunden af løkken naturligvis centripetalaccelerationen, hvilket igen reducerer mængden af Gs, der pålægges rytterne.
For et dybere dyk i tøj og fysik i loop-de-loops, tjek denne informative side produceret af universitetet i Gøteborg og Sveriges Liseberg Forlystelsespark.
nu vil du forhåbentlig vide nok om kræfterne bag rutsjebaner for at holde dine venner og familie underholdt, mens du alle venter i kø for at opleve fysikens spændende terror.