过山车工作原理

过山车工作原理1.引言如果您正在学习物理，那么恐怕没有任何课堂能比过山车更让人感到兴奋。过山车几乎完全是由基本的惯性、引力和向心力驱动的，而在乘坐过山车的过程中，所有这些因素均处于精确控制之下。游乐园不断加大投资，建造出更快、更复杂的过山车，但这些过山车的基本工作原理是相同的。在本文中，我们将探讨过山车沿轨道高速运行的原理。此外，还将介绍过山车持续运行所需的硬件设施以及令这项活动如此妙趣横生的各种作用力。座落于英格兰黑泽市“快乐海滩”游乐园的百事极限一号(PepsiMaxBigOne)过山车有着蜿蜒曲折的轨道，总长超过1,524米。乍一看，过山车和客运列车有些相像。它由一系列前后相接的车厢组成，这些车厢将在轨道上移动。但与客运列车不同的是，过山车本身没有发动机或动力源。过山车在大部分运行时间里只靠惯性和重力运动。只有在运行的初始阶段，当过山车借助牵引力爬上第一个山坡（称为提升山坡）时才会使用其他动力。初始的上升过程旨在积蓄势能。势能常常称为位能，这个概念非常简单：过山车在空中升得越高，它在重力作用下的下降距离就越大。想想您在驾驶汽车、骑自行车或拉着雪撬爬上山坡时的情景，就会知道自己时时都在经历这种现象。您在爬上山坡时积蓄的势能可以作为动能释放出来，所谓动能，也就是带您下山的运动能量。1.1能量转化正如我们在上面看到的，过山车轨道起始处的提升山坡起到了积蓄势能的作用。于是当您开始从第一个山坡向下滑行时，将转由重力控制，积蓄的所有势能向动能转化。重力向过山车施加了恒定的向下作用力。过山车的能量不断在势能和动能之间转化。在第一个山坡的顶部(a)，列车达到了它的最高点，故而拥有最大的势能。当列车开始沿山坡向下运动时，势能转化为动能，列车的速度加快。在山坡底部(b)，动能达到最大，势能降到最低。动能推动列车爬上第二个山坡(c)，并逐渐提高势能水平。当列车进入大回环(d)时，它拥有大量动能，但势能较少。在列车上升到回环顶部(e)的过程中，势能水平提高，但随着它离开回环(f)，势能很快又重新转化为动能。过山车轨道的作用在于引导作用力，控制过山车下落的方式。如果轨道是向下倾斜的，重力将拖着过山车的前端向地面冲去，从而使它的速度加快。如果轨道向上倾斜，重力会对过山车的后部施加一个向下的力，使之减速。1.2沿轨道爬升和下降由于运动中的物体倾向于保持它的运动状态（牛顿第一运动定律），因此过山车即使是在沿轨道上行并受到重力的向下作用时也会保持一个向前的速度。当过山车爬升初始提升山坡之后的某个较低的山坡时，它的动能会重新转化为势能。这样，过山车在轨道上持续进行动能和势能之间的转化。这种加速度的变化正是过山车的有趣之处。黑泽市“快乐海滩”游乐园中的百事极限一号(PepsiMaxBigOne)过山车：第一个山坡会使列车以119公里/小时的速度下落62米。在大多数过山车中，沿着轨道前进，山坡的高度会依次降低。这是必要的，因为列车在提升山坡所积蓄的能量总额会在它与轨道以及空气间的摩擦中逐渐损耗。当列车滑行到轨道末端时，积蓄的能量几乎全部耗尽。这时，列车会停下来，或是被送到提升山坡以便再次运行。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。在以下几部分中，我们将介绍使这部机器得以运行的不同组成部分。2.过山车的两种类型在上一部分中，我们介绍了过山车的基本要素。过山车沿着一条蜿蜒曲折的长轨道行进。这条轨道的起点是一条陡峭的向上坡道，过山车可以在此积蓄势能。轨道其余部分的山坡、山谷、盘旋和弯道使积蓄的能量在势能和动能之间来回转化。当列车移动时，它的能量会因摩擦而逐渐损耗，直到到达运行终点为止。座落于美国加利福尼亚州圣塔克鲁兹市“海滩木板路”游乐园的大北斗星(GiantDipper)过山车：这座经典的木制过山车始建于1924年。过山车分为两大类型，主要根据其轨道结构进行区分。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至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唇状结构，使车厢不致滚到轨道外面去。车厢还有另一组轮子（有的只是一根安全杆），它们在轨道下方滚动。这可以防止车厢飞到空中。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（虽然这在现代的木制过山车中并不常见）。不过，由于轨道本身和支撑架构十分笨重，因此木制轨道缺乏灵活性。这使构建复杂的盘旋和弯道变得十分困难。在木制过山车中，带给人们快感的主要是上下运动。随着20世纪50年代钢管轨道的引入，过山车领域发生了巨大的变化。顾名思义，钢管轨道由一对很长的钢管组成。支撑这些钢管的是一个坚固的上层结构，它重量较轻，是由比轨道钢管稍粗的钢管或梁搭建而成的。座落在西班牙Salou市UniversalStudiosPortAventura游乐园的“龙可汗”(DragonKhan)钢管过山车：轨道长1,269米，其中包括若干回环、盘旋和螺旋。在钢管过山车中，列车车轮一般由聚亚安酯或尼龙制成。除了有传统的车轮安置在钢管轨道的正上方，车厢还有其他一些车轮，分别运行于轨道的底部和侧面。这种设计使车厢能够稳固地卡在轨道上，这在列车穿过轨道的盘旋和弯道时是极为重要的。在钢管过山车中，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。在悬挂式过山车中，悬挂的列车能以一个转动接头为轴进行摆动，从而增加了一种向两侧的运动。而在翻转式过山车中，悬挂的列车则稳固地连接在轨道上，使设计师能更准确地控制车厢的运动方式。与木制轨道不同，钢管轨道不是由各个小部件组装而成的。与使用预制钢梁的摩天大楼类似，它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。而在钢管过山车中，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。2.1链式提升器正如我们先前看到的那样，过山车列车本身没有电动机：在运行过程的大半段，列车是靠重力和动量运动的。为了积蓄动量，需要将列车提升到第一个山坡的顶部，或以极大的推力将其发射出去。座落于黑泽市“快乐海滩”游乐园中的百事极限一号(PepsiMaxBigOne)过山车：列车沿65度角冲下第一个山坡。传统的提升装置是一根长长的链条（或多根链条），它安装在轨道下面，并沿山坡向上延伸。这根链条固定在一个环路中，这个环路在山坡的顶部和底部各有一个传动装置。山坡底部的传动装置是由一个简单的电动机转动的。通过转动链条环路，使之像一条长长的传送带那样持续不断向山坡顶部移动。过山车用几只链条锁簧和牢固的绞链钩抓住链条。当列车行进到山坡底部时，锁簧会咬住链条的链节。一旦链条锁簧被钩住，链条就会拉着列车向山顶行进。在最高点处，锁簧松开，列车开始沿山坡向下移动。2.2用弹射器发射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。弹射器的发射方法有好几种，但它们的作用基本相同。这些系统不是将列车沿山坡向上拖动以积蓄势能，而是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、效率、耐用性、准确性和可控制性。另一种常见的系统使用几十只转动的轮子来推动列车，使之爬上提升山坡。这些轮子沿着轨道排成相邻的两列。它们将列车的底部（或顶部）卡在中间，推动列车前进。2.3制动装置和任何列车一样，过山车也需要一套制动系统以便使它准确地停在终点，或在紧急情况下停下来。过山车中的制动系统没有设置在列车内部，而是在轨道中。这套系统非常简单。在轨道的末端和其他一些制动点安置着一系列夹子。当需要让列车停下来时，一台中央计算机操作液压系统，使之合上这些夹子。合上的夹子与列车下方的垂直金属翼接触，产生的摩擦力将使列车逐渐减速。在下一部分中，我们将探讨您在乘坐过山车时的各种感受，以了解这些感受是如何产生的，以及它们为什么如此令人愉悦。3.乘坐过山车在最后几部分中，我们将对一些作用力和机械装置进行研究，正是它们使过山车能够沿着精心设计的路线风驰电掣地行进。当您越过轨道上的山坡、山谷和回环时，作用在身上的力似乎在不停地变化，把您拖向各个方向。但这种娱乐活动为什么会如此令人愉悦呢？为什么它又会使某些人头晕恶心？座落于加利福尼亚州布埃纳公园(BuenaPark)诺特浆果农场(Knott'sBerryFarm)游乐园的“飞去来”(Boomerang)过山车：这架过山车的特点是有许多回旋区，在这些区域中，轨道一路向下，然后突然改为上行。为了弄清您在乘坐过山车时的种种感受，让我们来看看您的身体的基本受力状况。无论您在地球上的什么地方，重力都会把您向地面的方向拉。但是您实际感觉到的力并不是向下的拉力，而是地面对您的脚所施加的向上压力。地面阻止您落入地心，并向您的脚提供向上的支撑力，脚向上支撑您的腿骨，腿骨再向上支撑您的胸腔，以此类推。这就是重量感。在乘坐过山车的整个过程中，重力都在沿竖直方向把您向下拉。作用在您身上的另一种力是加速力。当您坐在一个匀速行驶的过山车车厢里时，只能感受到向下的重力。但当车厢加速或减速时，就会感觉自己受到座位或限位栏的压迫。您之所以会感受到这种力，是因为您本身的惯性与车厢的惯性是分开的。牛顿第一运动定律认为，运动中的物体倾向于保持它的运动状态。也就是说，您的身体会一直按相同的速度向同一方向运动，除非有其他力作用在您身上，使您改变这一速度或方向。当过山车加速时，车厢座位会推动您向前，提高您的运动速度。当车厢减速时，您的身体会自然地倾向于按原有的速度前进。您前方的护具将使您的身体向后方加速，从而让您的速度慢下来。您的身体会以一种有趣的方式感受到这种加速。当过山车加速时，实际作用在您身上的力是座位给您的向前推力。但是，由于身体的惯性，您会感到前方有一股力将您压在座位上。于是您总是觉得产生加速效果的推力来自与实际的力相反的方向。这种力（为了简便起见，我们称之为加速力）与将您拉向地球的重力带给您的感受完全相同。实际上，加速力是用重力倍数(g)来衡量的，1g相当于在地球表面因重力产生的加速力（9.8米/秒2）。过山车利用了这种相似性。它不断地改变加速度和离开地面的高度，使重力和加速度以多种有趣的方式互相影响。如果您在过山车运行期间坐在秤上，会发现随着自己在轨道上的位置的改变，“体重”也在不断变化。在传统的过山车中，在山坡的顶端，惯性会带着您向上升，而过山车车厢则准备沿着轨道下降。如果打开安全杆，在一小段时间内，您的确会向上升，并会离开您的座位。过山车爱好者们把这段自由下落时间称为“空中时间”。乘客们头朝下悬在Riddler'sRevenge过山车上，这是一部座落在加利福尼亚州巴伦西亚市“六旗魔幻山”(SixFlagsMagicMountain)游乐园的直立式过山车。过山车轨道的最高处离地面有48米，总长1,332米。加速度和重力间的平衡是过山车中最令人兴奋的体验，您的体重和运动方向似乎在不断地改变。在过山车上，这种感受在各种视觉指示物的作用下变得更加强烈：您会看到上下颠倒的弯道、令人眩晕的高度和掠过身旁的种种构造物。视觉指示物是乘坐过程中的一个重要组成部分，因为它们让您感到自己正在飞速前进。您的身体并不能感知速度，它只能感受速度的变化（加速度）。您之所以知道自己正在过山车上快速移动，唯一的理由就是您看到