Die erste Achterbahn auf Coney Island, die im Juni 1884 eröffnet wurde, würde kaum in den Kinderbereich eines modernen Vergnügungsparks passen. Die „Switchback Railway“ rollte mit nur sechs Meilen pro Stunde über eine Reihe sanfter Hügel.
Heutzutage können Achterbahnen Sie durch Loop-de-Loops führen, Sie 38 Geschichten schreien lassen, um sich für einen Moment frei von der Schwerkraft zu erheben, und Sie sogar an einem Schultergurt hängen, Gliedmaßen baumeln lassen, durch Korkenzieher schießen und Serpentinen und Cobra-Kurven, mit Ihrem Leben in den Händen der Technik. Wohl keine andere Freizeitbeschäftigung macht Physik so viszeral wie die Achterbahn. Hier ist eine schnelle Aufschlüsselung der Kräfte, die dazu führen, dass Ihr Magen sinkt – und Sie in Ihrem Sitz halten.
Den Hügel erklimmen
Auf den ältesten Achterbahnen war der erste Hügel (auch bekannt als „Lift Hill“) immer der höchste, um seine potentielle Energie zu nutzen, die sich aus der Masse des Zuges, der Standardbeschleunigung der Schwerkraft auf der Erde (9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat) und der Höhe des Hügels ergibt. Potentielle Energie wird in Objekte investiert, basierend auf ihrer Position in einem System — in diesem Fall in einem Gravitationsfeld.
(Es gibt tatsächlich auch andere Arten von potentieller Energie. Es gibt elastische potentielle Energie, die durch Verformung eines elastischen Objekts verursacht wird (z. B. eine Kugel, die an einer ausgestreckten Feder befestigt ist), sowie elektrische potentielle Energie und magnetische potentielle Energie.)
Wenn die Achterbahn den Hügel hinunterfliegt, gewinnt sie kinetische Energie und verliert potentielle Energie. Am unteren Ende des Aufzugshügels befindet sich die kinetische Energie des Zuges am höchsten Punkt auf der Strecke, genug, um ihn durch die Abfolge kleinerer Hügel und Kurven zu schieben.
Squash und Stretch
G-force ist ein Begriff, der viel geredet wird, aber es ist eigentlich nicht wirklich eine richtige „Kraft“; es ist ein Produkt der Beschleunigung. Auf der Erde befinden Sie sich in einer Umgebung von 1 G. Beschleunigen Sie weg von oder in die gleiche Richtung wie die Anziehungskraft der Erde auf Ihren Körper, und Sie erzeugen eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, die Sie in Ihrem Gewicht spüren können.
Wenn Sie auf einer Achterbahn nach oben beschleunigen, fühlt es sich durch das zusätzliche Gs (manchmal als „positives G“ bezeichnet) so an, als wären Sie schwerer und würden nach unten gedrückt. Wenn Sie nach unten beschleunigen (wie in einer Achterbahn, die einen Hügel hinuntertaucht), können Sie negative G-Kräfte erfahren, die Sie aus Ihrem Sitz heben.Die Kontrolle der G-Kräfte ist eines der Hauptanliegen beim Design von Achterbahnen — zu viele Gs oder ein zu schneller Übergang zwischen positivem und negativem G können von aufregend in unangenehm oder sogar gefährlich kippen.
Drehen
Das Beschleunigen um eine horizontale Kurve erzeugt auch eine G-Kraft, in diesem Fall „lateral G.“ Wenn sie stark genug sind, können seitliche Gs manchmal Passagiere gegen die Seite eines Waggons werfen. Um dies zu vermeiden, werden Achterbahnen oft mit Steilkurven gebaut. Dies hilft, einen Teil des lateralen G in ein positives oder negatives G umzuwandeln, wodurch der Betrag, um den Sie gleiten, reduziert wird.
Einfädeln der Schleife
Wie bleiben Sie während einer Schleife in Ihrem Sitz? Wieder ist es ein anderes Gleichgewicht der Physik. Die Bewegung entlang einer gekrümmten Bahn erzeugt eine Zentripetalbeschleunigung, die auf den Mittelpunkt des von der Kurve gezeichneten imaginären Kreises zeigt. Sie bleiben jedoch in Ihrem Sitz, weil ein weiterer Faktor im Spiel ist: Trägheit. Ihr Körper möchte natürlich auf einem geraden Weg weitermachen, und dies in Kombination mit der Zentripetalbeschleunigung erzeugt das Gefühl, nach außen gedrückt zu werden — ein Phänomen, das manchmal als „Zentrifugalkraft“ bezeichnet wird, obwohl es wie die G-Kraft nicht wirklich eine richtige Kraft ist.
Wenn Sie sich eine moderne Achterbahn ansehen, werden Sie vielleicht feststellen, dass die Loop-de-Loops eher wie Tränen als wie Kreise geformt sind. Diese Form, die als Klothoide bezeichnet wird, verwendet einfache Physik, um den Zug und die Passagiere zu entlasten. Der Schlüsselfaktor ist die Tatsache, dass im Gegensatz zu einer Kreisschleife, die einen einzigen Radius hat, die Klothoidenschleife oben einen kleineren Radius hat.
Der Unterschied in den Radien ist wichtig, denn damit ein Zug eine Schleife absolvieren kann, muss die Zentripetalbeschleunigung der Wagen größer oder gleich der Erdbeschleunigung sein. Da die Zentripetalbeschleunigung das Produkt der Geschwindigkeit im Quadrat geteilt durch den Radius der Schleife ist, erhöht die Abnahme des Radius oben automatisch die Zentripetalbeschleunigung oben. Somit muss der Zug nicht unglaublich schnell fahren, um die Schleife zu beenden. Wenn der Zug die Schleife verlässt, verringert der breitere Radius am unteren Ende der Schleife natürlich die Zentripetalbeschleunigung, was wiederum die den Fahrern auferlegte Gs verringert.
Für einen tieferen Einblick in Klothoiden und die Physik von Loop-de-Loops, schauen Sie sich diese informative Seite an, die von der Universität Göteborg und dem schwedischen Vergnügungspark Liseberg erstellt wurde.Jetzt wissen Sie hoffentlich genug über die Kräfte hinter Achterbahnen, um Ihre Freunde und Familie zu unterhalten, während Sie alle in der Schlange stehen, um den aufregenden Terror der Physik zu erleben.