过山车物理学
过山车最初上升的目的是建立一个势能的蓄水池。的概念势能通常被称为位置能量的原理非常简单:随着过山车在空中越升越高,重力会把它拉得越低。你会一直经历这种现象。想想开着你的车,骑着你的自行车,或者把你的雪橇拉到一个大山顶上。上坡时所产生的势能可以释放为动能——带你下山的运动能量。
一旦你开始从第一个山坡上滑下来,重力就会接管,所有累积的势能都变成了动能。重力对汽车施加恒定的向下力。过山车的轨道可以引导这种力量——它们控制着过山车的下落方式。如果轨道向下倾斜,重力会把车头拉向地面,所以会加速。如果轨道向上倾斜,重力会对过山车的背部施加向下的力,因此它会减速。
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由于运动中的物体倾向于保持运动状态(牛顿第一运动定律),即使过山车在轨道上向上移动,也会保持向前的速度,与重力相反。当过山车沿着最初的升力坡上升到一个较小的坡时,它的动能就会变回势能。这样,轨道的运动过程不断地将动能转换为势能,然后再转换回来。
这种加速度的波动正是过山车如此有趣的原因。在大多数过山车中,随着火车沿着轨道移动,山丘的高度会降低。这是必要的,因为在升降机山中建立的总能量储备逐渐损失在火车和轨道之间的摩擦,以及火车和空气之间的摩擦。当火车滑行到轨道的尽头时,能量库几乎完全空了。在这一点上,火车要么停了下来,要么被送上升降机山,开始另一段旅程。
在最基本的层面上,这就是过山车——一种利用重力和惯性让火车沿着蜿蜒的轨道行驶的机器。接下来,我们将看看你在坐过山车时感受到的各种感觉,是什么导致了它们,为什么它们如此令人愉快。