坐过山车的感觉:为什么坐过山车翻跟头也不会掉下来?

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为什么坐过山车翻跟头也不会掉下来?今天就由童乐福科学网小编为同学们讲解坐过山车的感觉:为什么坐过山车翻跟头也不会掉下来?

坐过山车的感觉:为什么坐过山车翻跟头也不会掉下来?插图

过山车是一项富有刺激性的娱乐活动。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的话,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。

速率(有方向的速度)的改变称为加速度。一个物体加速、减速或改变方向,称之为加速度。大部分大型游乐设备包括加速度。当下坡或急速转弯时,设备可能提高速率或加速度;当上坡或沿直线运动时,设备可能减小速率或减速度。当过山车下坡,地心引力使车体运动的速度越来越快,这是加速度;当过山车上坡,车体运动的速度越来越慢,这是减速度。过山车的加速度与车体的质量和推拉的动力有直接的关系。

当过山车沿着回环运动,向心力发生作用。向心力是物体沿着圆周运动而产生的。例如,当你沿着下滑曲线向地面运行,地心引力使过山车沿直线作下滑运动,但是轨道是曲线的,向心力又使过山车沿曲线运动。乘客在过山车上的感觉是被抛离轨道,但是地心引力又使车体的的确确运行在轨道上作圆周运动,所以指向圆周或曲线内部的动力是必需的。对于指向圆周或曲线内部的动力,称之为向心力。这样人就不会被甩出去。

能量的守恒定律:能量可以从一种形式转化为另一种形式但是不会自动生成和消失。当马达驱动过山车攀登到达第一个坡度,过山车储存越来越多的势能。当重力牵引过山车沿斜坡下滑,势能又转化为动能。斜坡上离顶部越远,势能转化为动能就越多,乘客能感觉到速度的加快。在斜坡的最底部,速度最快。当车体攀登第二个山坡,动能又逐渐转化为势能,过山车的速度逐渐减慢。高度越高,意味着动能转化为势能越多。这个动能、势能的转化守恒定律,保持过山车沿轨道上下运动。

而动能的总量是保持不变的,只是从一种形式转化为另一种形式。请注意第一个山坡是过山车的最高点。你知道这是为什么吗?

速度是距离除以时间或物体运动的比率。对于过山车的建造,正确地理解速度、速率和加速度是极为重要的。过山车必须兼顾安全和惊险,安全是过山车建造的第一要素,毫无疑问,乘客在乘坐过山车的过程中,必须是绝对安全的。但速度和加速度的惊险度是过山车成功的重要因素,这就涉及速度的控制所以包括山坡、直线、曲线、俯冲、回环和刹车系统等都是经过科学的论证和设计的;而且,材质、结构的设计都是在安全基础上再生产设计的。科学的理论基础是过山车生产设计的核心。

错觉产生更强的刺激,过山车的设计者们利用一些简单的光学原理让游客不断产生错觉,以为过山车的速度比实际速度还要快,他们惯用的方法是将物体靠近轨道以增加游客的速度感。比如,游客能看见紧靠他们的固定横梁飞起来。过山车的设计者们还利用两侧的树木,甚至利用其他过山车来产生这样的效果虽然过山车有超重和失重的过程,但是科学家认为这个过程对健康人来说是安全的,因为过山车的重力加速度一般是4克左右,我们站在地面上承受的重力加速度是1克,从椅子摔落到地上的重力加速度是10.4克,跳台阶的重力加速度是8.1克,咳嗽的重力加速度是3.1克,喷嚏的重力加速度是2.9克。

尽管如此,日本经过科学研究发现,人们不宜在极短的时间内反复乘坐过山车。因为瞬间4千克的重力加速度对身体没有什么伤害,但是累积起来的刺激可能会导致脑部和脊髓受损伤。日本有三名20多岁的年轻人在一天内4~10次不等地乘坐过山车,之后他们患了慢性头痛和手麻。过山车运行时产生强大的重力加速度和离心力,可能使乘坐者脑中的静脉爆裂而出血,血块堆积在硬膜下腔,形成血胂。儿童的血管和脑尚未发育成熟,因此可能比大人更容易受损伤。

世界上最刺激的过山车位于美国新泽西州首府杰克逊的六旗游乐园,叫作“金达卡”过山车。该过山车的最大高度为139米,有30多层楼那么高,是目前世界上最高的过山车。
金达卡”使用水压发射系统,在短短的3.5秒内,就能从每小时0千米升到205千米的极限速度,这也使“金达卡”成为世界上最快的过山车。

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注:想坐过山车的小朋友们一定要在父母或监护人的陪同下完成。

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