过山车中的物理知识和优化方案

过山车（Roller coaster，又称为云霄飞车），是一种机动游乐设施，常见于游乐园和主题乐园中（图2-1）。它是由美国发明家、商人拉马库斯·阿德纳·汤普森发明的。过山车是一项富有刺激性的娱乐工具，它那种风驰电掣、有惊无险的快感令无数人着迷。生活中常见的过山车有很多种类，如木质过山车、扭转过山车、超级扭转过山车、发射过山车、垂直下坠过山车、跌落式过山车、螺旋过山车等。乘坐不同类型、不同速度的过山车有着不同的体验。如果同学们对物理学感兴趣，那么在乘坐过山车的过程中同学们不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解动力学的知识。

图2-1　过山车

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。(www.xing528.com)

在乘坐过山车时只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了。首先过山车在运动刚开始时，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。从这时起带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是重力势能，重力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，是由它的高度和由重力产生的加速度而来的。对过山车来说，重力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，它的重力势能就不断地减少（因为高度下降了），但它不会消失，而是转化成了动能，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。这就是为什么在设计中随后的“山丘”比开始时的“山丘”要低的原因。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，这是由于重力作用于过山车中部的质量中心的缘故。

在过山车上，乘坐在最后一节车厢的人能够快速地达到和跨越最高点，从而会产生一种要被抛离的感觉，那是因为质量中心正在加速向下。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，小车厢就可能脱轨被甩出去。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重力推动。到达“疯狂之圈”时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯，乘客就会有一种被压到轨道上的感觉，因为这时产生了一种表观的离心力。在环形轨道上铁轨与过山车相互作用会产生一种向心力。这种环形轨道是略带椭圆形的，目的是平衡重力的制动效应。当过山车达到环形轨道的最高点时，事实上它会慢下来，但如果弯曲的程度较小时，这种现象会减弱。一旦过山车走完了它的行程，机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来，减速的快慢是由气缸来控制的。

过山车运行中包含着许多物理学原理，如加速度、向心力、能量的守恒、摩擦力、重力、重力加速度、牛顿三大运动定律等的应用。过山车会让人们在游玩中体会到物理学原理带来的快乐。