Физика американских горок

Физика американских горок включает в себя механику, влияющую на конструкцию и работу американских горок , машину, которая использует гравитацию и инерцию для направления поезда автомобилей по извилистой трассе. Гравитация, инерция, силы перегрузки и центростремительное ускорение дают гонщикам постоянно меняющиеся силы, которые создают определенные ощущения, когда горка движется по трассе.

Введение

Американские горки — это машина, которая использует гравитацию и инерцию для перемещения поезда автомобилей по извилистой трассе. Сочетание силы тяжести и инерции, а также перегрузок и центростремительного ускорения дает телу определенные ощущения, когда горка движется вверх, вниз и по трассе. Силы, испытываемые гонщиком, постоянно меняются, что приводит к ощущению радости у одних гонщиков и тошноте у других.

Энергия

Первоначально автомобиль подтягивают к вершине первого холма и отпускают, после чего он свободно катится по трассе без какой-либо внешней механической помощи до конца поездки. Цель подъема на первый холм — накопить потенциальную энергию , которая затем будет преобразована в кинетическую энергию по ходу поездки. Начальный холм, или подъемный холм , является самым высоким за всю поездку. Когда поезд поднимается наверх, он приобретает потенциальную энергию, что объясняется приведенным ниже уравнением потенциальной энергии :

$U_{g}=mgh$

где U _g — потенциальная энергия, m — масса , g — ускорение свободного падения и h — высота над землей. Таким образом, два поезда одинаковой массы на разных высотах будут иметь разную потенциальную энергию: поезд на большей высоте будет иметь больше потенциальной энергии, чем поезд на меньшей высоте. Это означает, что потенциальная энергия системы американских горок максимальна в самой высокой точке трассы или на вершине подъемника. Когда поезд американских горок начинает спуск с подъемника, накопленная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию или энергию движения . Чем быстрее движется поезд, тем больше кинетической энергии он получает, как показывает уравнение для кинетической энергии:

$K={\frac {1}{2}}mv^{2}$

где K — кинетическая энергия , m — масса, а v — скорость. Поскольку масса автомобиля с американскими горками остается постоянной, при увеличении скорости кинетическая энергия также должна увеличиваться. Это означает, что кинетическая энергия системы американских горок максимальна у подножия самого большого спуска на трассе, обычно у подножия подъемника. Когда поезд начинает подниматься на следующий холм на пути, кинетическая энергия поезда преобразуется обратно в потенциальную энергию, уменьшая скорость поезда. Этот процесс преобразования кинетической энергии в потенциальную и обратно в кинетическую продолжается с каждым подъемом. Энергия никогда не разрушается, а теряется из-за трения между автомобилем и гусеницей, в результате чего поездка полностью останавливается.

Инерция и гравитация

американских горок При движении по вертикальной петле инерция, создающая захватывающее ускорение, также удерживает пассажиров на своих местах. Когда автомобиль приближается к петле, направление инерционной скорости пассажира указывает прямо вперед под тем же углом, что и путь, ведущий к петле. Когда автомобиль входит в петлю, гусеница ведет его вверх, одновременно перемещая вверх и пассажира. Это изменение направления создает ощущение дополнительной тяжести , когда пассажир вдавливается в сиденье.

В верхней части петли сила ускорения автомобиля сталкивает пассажира с сиденья к центру петли, а инерция толкает пассажира обратно на сиденье. Силы гравитации и ускорения толкают пассажира в противоположных направлениях с почти одинаковой силой, создавая ощущение невесомости .

В нижней части петли сила тяжести и изменение направления инерции пассажира с вертикального вниз на горизонтальное прижимают пассажира к сиденью, заставляя пассажира снова чувствовать себя очень тяжелым. На большинстве американских горок используются удерживающие системы , но силы, действующие на большинство переворачивающихся горок, удерживают пассажиров от выпадения.

G-силы

показывает силу гравитации и контактную силу, обычно называемую силой перегрузки.

Силы перегрузки (силы гравитации) создают так называемое ощущение «бабочки», которое ощущается, когда автомобиль спускается по уклону. Ускорение в 1 стандартное гравитационное поле (9,8 м/с). ² Земли, ) — это обычная сила гравитационного притяжения действующая на человека, стоящего на месте. человека Измерение нормального веса учитывает это гравитационное ускорение. Когда человек чувствует невесомость на вершине петли или при спуске с холма, он находится в свободном падении . Однако, если вершина холма изогнута более узко, чем парабола , гонщики испытают отрицательную перегрузку и будут подняты со своих мест, испытывая так называемое ощущение «бабочки».

Разница между деревянными и стальными подставками

Деревянные подставки имеют направляющую, состоящую из тонких деревянных пластин, сложенных вместе, с плоской стальной направляющей, прикрепленной к верхнему ламинату. В стальных подставках используются стальные трубчатые, двутавровые или коробчатые направляющие. Несущая конструкция обоих типов может быть стальной или деревянной. Традиционно стальные подставки использовали перевернутые места, чтобы вызвать острые ощущения у гонщиков, тогда как деревянные подставки полагались на крутые спуски и резкие изменения направления, чтобы доставить острые ощущения. Однако недавние достижения в технологии горок привели к появлению гибридных стальных горок с деревянными конструкциями, примером которых является New Texas Giant в Six Flags Over Texas и деревянных подставок с инверсией, таких как Outlaw Run в Silver Dollar City .

История

Основные принципы механики американских горок известны с 1865 года. и с тех пор американские горки стали популярным развлечением.

Когда стали доступны более совершенные технологии , инженеры начали использовать компьютерные инструменты проектирования для расчета сил и напряжений, которым подвергаются пассажиры во время поездки. Сейчас компьютеры используются для проектирования безопасных подставок со специально разработанными ограничителями и легкими и прочными материалами. Сегодня трубчатые стальные гусеницы и полиуретановые колеса позволяют горкам двигаться со скоростью более 100 миль в час (160 км/ч), в то время как американские горки продолжают строиться еще выше, быстрее и сложнее.

См. также

• Эвтаназия Каботажное судно
• Рывок , прыжок , треск и поп