过山车中的物理原理

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  一、过山车运行原理
  1.起步
  过山车本身没有动力来源,要走完全程就必须储备足够的能量——重力势能.运行伊始,过山车都要先爬上一段陡坡,随着过山车高度的不断增加,其储备的重力势能也逐渐增加.
  过山车爬坡的动力来源于外部的电动机:首段上升坡道中的锯齿状链条(图1)在外部电动机的带动下持续运转,它能钩住过山车的底部,并将其拉到坡道顶端.就这样,电动机通过链条带动过山车上升并对其做功,将消耗的电能转化为过山车的机械能.
  2.下坡
  当过山车越过第一个坡顶后,它将转而迅速下降(如图2的AB段,假设过山车向右运行).随着过山车高度的不断降低,其运行速度迅速增大,在这个过程中过山车的重力势能转化为动能.
  3.上坡
  当过山车上坡时(图2的BC段),随着过山车高度的逐渐增加,其运行速度逐渐减小,在这个过程中,过山车的动能转化为重力势能.
  4.回环
  惊险刺激的过山车轨道中往往有一个甚至多个“回环”(图2中的圆环),在过山车行驶的过程中,它可以迅速地“冲过”圆环的制高点C.车内的乘客在越过C点时可是头朝下脚朝上的,车内的乘客会掉下来吗?
  要解决这个疑问,我们可以参考一个游戏——水流星(图3).表演者用绳子系住装水的水桶,当他拉着绳使水桶在竖直平面内高速转动时,水桶中的水也不会流出来.这种神奇的现象来源于“向心力”.
  要使物体沿着圆弧轨道做圆周运动,它所受的合外力就要指向圆心,这个力叫做向心力.当过山车以合适的速度越过最高点时,人所受重力恰好可以提供使人沿圆周运动的“向心力”,因而人不会掉下来.
  5.行程
  细心的同学会发现,过山车整个轨道中的最高点往往是第一个坡道的顶端,其后所有的坡道顶端都比第一个坡道的顶端低.这是因为在过山车高速运行的过程中,要克服轨道摩擦力和空气阻力做功,机械能转化为内能,过山车的机械能逐渐减少,所能达到的最大高度也依次降低.
  6.刹车
  将近终点时,通过车轮与轨道间的摩擦使车辆减速,也有一些过山车利用磁力刹车,直至安全停止.
  二、乘坐感受的瞬息万变
  1.失重
  当过山车在蜿蜒曲折的轨道上急速飞驰,乘坐的感受也瞬息万变.当过山车加速下降或减速上升时,乘客感到人快要和座位脱离,如同腾空一般,这种情况叫做“失重”.生活中的“失重”现象较多,乘坐电梯加速下降和减速上升时,也会有失重的感觉.
  2.超重
  当过山车加速上升或减速下降时,乘客感到好像被紧紧地压在座位上,这种情况叫做“超重”.乘坐电梯加速上升或减速下降时,也会有超重的感觉.
  我们可以做一个小实验来体会失重和超重.如图4,将一个矿泉水瓶的瓶口处绑上一块薄膜,底部开口后装入适量的水,手握瓶身保持静止,观察此时薄膜的形变程度.若手持水瓶加速下降,会发现薄膜的形变程度减小,说明水与薄膜间的相互作用力减小,这就是失重状态;若手持瓶身使其加速上升,发现薄膜的形变程度增大(甚至会被胀破),说明水与薄膜间的相互作用力增大,这就是超重状态.
  3.座位选择
  在乘坐过山车时,如果坐在前排,就可以享受一场视觉盛宴.由于视野宽广,景象的急速逼近和旋转会让人感受到强烈的速度感和危险感.过山车设计者们甚至会刻意地在弯道附近设置障碍物,让人觉得过山车即将撞上去一般,从而营造出强烈的刺激感.这种视觉冲击是后排的乘客难以体会到的.
  如图5,在过山车向右行驶并高速越过坡顶时,由于惯性,车内的乘客会有种要被甩出轨道的感觉.当前排乘客A越过坡顶时,整个车辆的重心O仍处在上升过程,这是一个减速过程.因此A沿轨道运行的速度越来越小,导致其感受到“被甩出去”的感觉越来越弱.当后排乘客B越过坡顶时,整个车辆的重心O已处在下降过程,这是一个加速过程.因此B沿轨道运行的速度越来越大,导致其感受到“被甩出去”的感觉越来越强.因此越过同一个坡顶时,坐在后排的乘客感觉最刺激.
  三、乘坐过山车的注意事项
  由于过山车在轨道上高速运转,乘客在上车前应将容易脱落的物品取下.
  乘坐过山车必须系好保护装置.国内外都曾发生过相关事故,当过山车被卡在半空时,保护装置就能为人提供足够的支撑.另外这些保护装置也能保证过山车高速过弯时,将人体固定在车内,防止人体被甩出去.
  乘坐过山车时需要面向前方,以避免耳部受损.国外有过乘坐过山车导致耳部受损的事件,后来证实是因为其与左边的同伴讲话,强风直接灌入右耳,强大的气压导致他耳道肿大、耳膜发炎、短暂失聪.
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