惊险刺激的过山车揭秘：追寻物理本质！

惊险刺激的过山车

探秘过山车中的物理知识

过山车又称为云霄飞车，是一种机动游乐设施，常见于游乐园和主题乐园中。汤普森是第一个注册过山车相关专利技术的人，曾制造过数十个过山车设施，被誉称为“重力之父”。

风驰电掣的过山车

一个基本的过山车构造中，包含了爬升、滑落和倒转，其轨道的设计不一定是一个完整的回圈，也可以设计为车体在轨道上的运行方式为来回移动。大部分过山车的每个乘坐车厢可容纳2人、4人或6人，这些车厢利用勾子相互连结起来，就像火车一样。从最基本的层面来看，过山车不过是一部利用重力和惯性使列车沿蜿蜒的轨道行进的机器。过山车虽然惊险恐怖，但基本上是非常安全的设施。在钢铁制造的过山车中，日本长岛温泉游乐园中的过山车是最长的。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。

在开始旅行时，过山车的小列车是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，带动它沿着轨道行驶的唯一的“发动机”将是引力势能，即由引力势能转化为动能、又由动能转化为引力势能的这样一种不断转化的过程构成的。引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，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，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（动能和势能）。这就是为什么要设计成随后的小山丘比开始时的小山丘要低的原因，过山车已经没有上升到像前一个小山丘那样的高度所需要的机械能了，过山车最后一节小车厢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快速达到和跨越最高点，从而产生一种要被抛离的感觉，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引力推动。

到达“疯狂之圈”时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。这时，乘客就会有一种被挤压到轨道上的感觉，因为这时产生了一种表观的离心力。在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用产生的一种向心力，这种环形轨道是略带椭圆形的，目的是为了“平衡”引力的制动效应。当过山车达到圆形轨道的最高点时，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。减速的快慢是由汽缸来控制的。

过山车(www.xing528.com)

如果说美国有一个过山车的摇篮，那么它就是纽约的科尼艾兰。美国的第一部过山车1884年在这里诞生。对于过山车迷来说，这里是他们的“麦加圣城”。科尼艾兰仍保留着1927年建造的最早的木制过山车“飓风号”。今天木质过山车产生的神奇效果是在20世纪20年代所无法想象的。美国辛辛那提市附近的游乐园里面有一个“野兽之子”木制过山车，它高66米，长2143米，最高时速126千米，上下有65米的落差，能同时供3辆过山车运行，每辆可载36人。它甚至还有一段木制过山车界唯一的垂直循环轨道。“野兽之子”的赫赫有名绝非偶然，它使用的木头可以铺成761千米长。今天，过山车家族已经有约30名成员，包括金属过山车、悬挂式过山车、竖立式过山车以及穿梭式过山车等。木制过山车的轨道类似于传统的列车铁轨。过山车的金属轮子在平坦的金属条上滚动，每根金属条的宽度为10～15厘米。这种金属条是用螺钉固定在运行轨道上的，运行轨道用胶合木板制成，十分坚固。在大多数过山车中，车厢的轮子采用了与列车相同的凸缘设计，即车轮内部形成一个凹形结构，使车厢不致滚到轨道外面去。车厢还有另一组轮子，它们在轨道下方滚动，这可以防止车厢飞到空中。

有惊无险的过山车

木制过山车轨道是用枕木和呈对角线交叉的支撑梁来固定的，整个轨道结构安置在一个由木制或钢制的梁搭成的格架上，就像用来支撑房屋或摩天大楼的横梁框架。利用这些材料，设计师们可以将山坡、盘旋和弯道结合起来，形成拥有变化无穷的路线布局。他们甚至可以让列车上下翻转。虽然木制车永远不能与钢铁车的多种翻转方式相匹敌，但经典的木质过山车仍在过山车爱好者心中拥有不可取代的地位。因为木头过山车更“凶”更“野”！这并不是说木过山车能比钢铁过山车做出更让人胆颤的动作，只是因为它自身的材制会让它颠得很厉害，而且沿轨道滑行时噪声惊人。

钢制过山车列车车厢既可以像传统的木制过山车那样停留在轨道上，也可以像滑雪缆车那样吊挂在车厢顶部的轨道上。钢管轨道不是由各个小部件组装而成的，而是由一些曲线型的大型模块预制的。通过钢制造工艺可生产出平滑的曲线型轨道，使过山车能沿轨道坡度向各个方向运动。在木制过山车中，当车体滚过连接木制轨道各部件的接头时会发出嘎嘎声，使运行过程产生停顿感。而在钢制过山车中，轨道的各个部件被完美地焊接在一起，使车体的运行极为平稳。任何一位过山车爱好者都会告诉您，每种感受都有与众不同的魅力。

弹射器

在一些较新的过山车设计中，列车是通过弹射器发射的方法启动的。这些系统使列车在开始的极短时间内获得大量动能，让它开始运行。直线感应电动机是常用的弹射器系统之一，直线感应电动机利用电磁体在轨道上方和列车下方各造出一个磁场，并使两个磁场互相吸引。电动机移动轨道上方的磁场，牵引着后面的列车以极高的速度沿轨道移动。这种系统的主要优势在于它的速度快、效率高、耐用性、准确性和可控制性。