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有趣的機械知識：為什么過(guò)山車(chē)的回環(huán)不是圓形的？
2022-07-13
過(guò)山車(chē)(又稱(chēng)為云霄飛車(chē))，是一種機動(dòng)游樂(lè )設施，常見(jiàn)于游樂(lè )園和主題樂(lè )園中。過(guò)山車(chē)雖然驚悚恐怖，但是基本上是非常安全的設施，深受很多年輕游客的喜愛(ài)。
美國發(fā)明家、商人拉馬庫斯·阿德納·湯普森是第一個(gè)注冊過(guò)山車(chē)相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)的人(1885年1月20日)，并曾制造過(guò)數10個(gè)過(guò)山車(chē)設施，因此被譽(yù)稱(chēng)為"重力之父"。
過(guò)山車(chē)構造包含了爬升、滑落、倒轉(兒童過(guò)山車(chē)沒(méi)有倒轉)，其軌道的設計不一定是一個(gè)完整的回圈，也可以設計為車(chē)體在軌道上的運行方式為來(lái)回移動(dòng)。大部分過(guò)山車(chē)的每個(gè)乘坐車(chē)廂可容納2人、4人或6人8人，這些車(chē)廂利用勾子相互連結起來(lái)，就像火車(chē)一樣。從最基本的層面來(lái)看，過(guò)山車(chē)不過(guò)是一部利用重力和慣性使列車(chē)沿蜿蜒軌道行進(jìn)的機器。
過(guò)山車(chē)是一項富有刺激性的娛樂(lè )工具，那種風(fēng)馳電掣、有驚無(wú)險的快感令不少人著(zhù)迷。如果你對物理學(xué)感興趣的話(huà)，過(guò)山車(chē)的運動(dòng)包含了許多物理學(xué)原理，是由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果。
在剛剛開(kāi)始時(shí)，過(guò)山車(chē)的小列車(chē)是依靠彈射器的推力或者鏈條爬上最高點(diǎn)的，但在第一次下行后，就再也沒(méi)有任何裝置為它提供動(dòng)力了。事實(shí)上，從這時(shí)起，帶動(dòng)它沿軌道行駛的唯一"發(fā)動(dòng)機"是重力勢能，即由勢能轉化為動(dòng)能、又由動(dòng)能轉化為重力勢能，這樣一種不斷轉化的過(guò)程構成的。
過(guò)山車(chē)勢能在處于最高點(diǎn)時(shí)達到了最大值，也就是當它爬升到"山丘"的頂峰時(shí)最大。當過(guò)山車(chē)開(kāi)始下降時(shí)，它的勢能就不斷地減少(因為高度下降了)，但能量不會(huì )消失，而是轉化成了動(dòng)能，也就是運動(dòng)的能量。不過(guò)，在能量的轉化過(guò)程中，由于過(guò)山車(chē)的車(chē)輪與軌道的摩擦而產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機械能(動(dòng)能和勢能)。這就是為什么在設計中隨后的小山丘比開(kāi)始時(shí)的小山丘略矮一點(diǎn)的原因。
過(guò)山車(chē)的豎直立環(huán)是一種離心機裝置，當列車(chē)接近回環(huán)時(shí)，乘客的慣性速度筆直地指向前方。但車(chē)廂一直沿軌道行進(jìn)，使乘客的身體無(wú)法按直線(xiàn)運動(dòng)。于是重力推著(zhù)乘客離開(kāi)車(chē)廂的地板，而慣性則將乘客向地板方向擠壓。乘客本身的外向慣性產(chǎn)生慣性力，使乘客即使在頭朝下時(shí)也能牢牢地停留在車(chē)廂的底部。當然乘客需要某種安全護具來(lái)保證自己的安全，但在大多數大回環(huán)中，無(wú)論有沒(méi)有護具，乘客都會(huì )停留在車(chē)廂中。
在大回環(huán)中，豎直加速度的強度是由兩個(gè)因素決定的：列車(chē)的速度和彎道的角度。當列車(chē)進(jìn)入回環(huán)時(shí)，它擁有最大的動(dòng)能，它以最快的速度移動(dòng)。在回環(huán)的頂部，重力已經(jīng)在一定程度上降低了列車(chē)的速度，所以列車(chē)擁有更多的勢能，但動(dòng)能減少了，它以較低的速度移動(dòng)，但速度不能夠低于某一個(gè)安全行駛的速度。
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過(guò)山車(chē)的設計師們最早采用的是正圓形回環(huán)。在這種設計中，一路上的彎道角度是一個(gè)常數。為了在回環(huán)頂部產(chǎn)生足夠的豎直加速度以壓迫列車(chē)緊貼軌道，設計師們必須讓列車(chē)以相當快的速度進(jìn)入回環(huán)(如此可使列車(chē)在回環(huán)頂部仍能快速行進(jìn))。更快的速度意味著(zhù)乘客在進(jìn)入回環(huán)時(shí)會(huì )受到更大的作用力，而這可能會(huì )讓乘客很不舒服。
一旦過(guò)山車(chē)走完了它的行程，制動(dòng)裝置就會(huì )非常安全地使過(guò)山車(chē)停下來(lái)。減速的快慢是由制動(dòng)氣缸中氣體的壓力來(lái)控制的。
從1842年過(guò)山車(chē)誕生時(shí)，一直到1900年代早期，其實(shí)那時(shí)的過(guò)山車(chē)回環(huán)，還基本是一個(gè)正圓。但問(wèn)題來(lái)了，這樣的設計，雖然漂亮，但在轉彎的瞬間，最高可以給乘客施加高達14G的夸張重力要知道，即使是宇航員和戰斗機飛行員，最大也就承受10G的瞬時(shí)重力。
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