den första berg-och dalbanan på Coney Island, som öppnade i juni 1884, skulle knappt Betygsätta i kiddie-delen av en modern Nöjespark. ”Switchback Railway” trundled längs med bara sex miles per timme över en serie mjuka kullar.numera 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 switchbacks och cobra-svängar, med ditt liv i händerna på teknik. Förmodligen gör ingen annan fritidsaktivitet fysiken ganska så visceral som berg-och dalbanan. Här är en snabb uppdelning av de krafter som får magen att släppa—och hålla dig i din plats.
klättra 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 i 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. Längst ner på lyftkullen är tågets kinetiska energi på den högsta punkten det kommer att vara på banan, tillräckligt för att driva den 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 kläms 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 bekymmerna 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
att accelerera runt en horisontell sväng skapar också G-kraft, i detta fall kallad ”lateral G.”Om tillräckligt stark kan lateral 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 lateral 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 mellan fysik. Rörelse längs en krökt väg 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 i en rak väg, och detta kombinerat 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 tåg och passagerare. Nyckelfaktorn är det faktum att till skillnad från en cirkulär slinga, som har en enda radie, har clotoid-slingan en mindre radie ovanpå.
skillnaden i radier är viktig eftersom bilens centripetala acceleration måste vara mer än eller lika med tyngdkraftsaccelerationen för att ett tåg ska kunna slutföra en slinga. 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 ett djupare dyk i clothoids och loop-de-loops fysik, kolla in denna informativa sida producerad av Göteborgs universitet och Sveriges Liseberg Nöjespark.
nu, förhoppningsvis, du vet tillräckligt om krafterna bakom berg-och dalbanor för att hålla dina vänner och familj underhöll medan ni alla vänta i kö för att uppleva spännande terror fysik.