如何制造终极过山车-图灵社区.PDF

1　●如何制造终极过山车 ●● 重力势能 ●●发射弹射器 ●● G力 ●● 向心力 ●●别太狼狈 在一秒多一点的时间里，就从零加速到时速 100 公里，上下颠倒，以 5 倍于地球 重力的力量翻转，然后再从 100 米高空降落，这种感觉可能并不是每个人都消受得了 的。不过对于过山车的狂热爱好者来说，这就是天堂的感觉。终极过山车将在确保安 全与吓破胆子之间寻找精准的平衡。 1.1　重力势能 经过长时间的排队，你终于坐进过山车，扣上安全带，然后不安地等 “我们遇到的限 待出发。你以前没坐过这个，尽管刚从车上蹒跚走下的那些脸都绿了的游 制不是来自工程技术， 客给了你一个大体印象，你仍然不知道接下来会发生什么。你还在想怎么 而是来自人体所能承 坐舒服点的时候，控制员已经在广播里喊道：“冲啊！冲啊！”过山车俯冲 受的不适感的极限。” 并开始加速。 ——过山车设计师 大多数过山车本身不带内置电源。事实上，在它们的旅程中大多数时 艾伦 哈里斯 · 候都不需要推动力。它们首先会被牵引到一个最高处，然后释放。正是这 最初下落中获得的速度，为过山车提供了跑完余下轨道的能量。过山车大 多数时间其实是在 “滑翔”，这个过程反映了物理学的一个核心原理—— “能量守恒”。这个原理是指把一个孤立的物理系统中所有形式的能量加起 来，得到的数值即系统总能量不随时间变化。在这个系统中能量可以从一 种形式转化到另一种形式，但是总和永远守恒。 对于过山车来说，主要的能量形式是机械能，这种能量分两部分，一 部分是与过山车运动有关的动能，另一部分是过山车在地球重力场中的高 度所决定的重力势能，所谓势能大体和拉伸了的弹簧里蕴含的能量是一回 事。过山车处在起点，即峰顶时，它的速度和动能都是零，所有的能量都 以重力势能这种形式呈现。当它被释放并开始下落，速度逐步加快，重力 势能就逐渐转化为动能；当它再爬升时，能量转化又反向进行。现实情况 里，这种能量守恒并不完美，因为能量会因车轮和轨道或别的什么摩擦而 损失。只要相接触的两个表面有些微凹凸不平，相互摩擦就会造成能量损 失。过山车和空气也会有摩擦。损失的能量并不是消失了，而是以热量和 声音的形式被带走了。存在摩擦能损意味着在过山车的轨道上，所有其他 峰顶的高度都要一个比一个低，而且都必须比起点低。如果有哪个峰和起 1　如何制造终极过山车 3 始峰一样高 （甚至更高），过山车就没有足够的能量冲过去了。相反，它可 能会倒退回前一个低谷，来回晃荡直到摩擦把剩余的能量都带走，才最终 停下来。大多数过山车上装有阻尼器，这是因为在你最后想停车离开的时 候，摩擦就变得至关重要。过山车转轴上特意加装了摩擦片，以尽快将动 能转化为热能，这就是大多数过山车刹车的原理。 能量守恒是贯穿整个物理学的一个概念。它是波动理论、热力学、量