Физика американских горок одновременно сложна и проста, но без влияния этой отрасли науки эти удивительные аттракционы не сдвинулись бы ни на дюйм.
Что такое физика?
Физика изучает материю и энергию, а также то, как различные силы каждой из них взаимодействуют друг с другом и влияют друг на друга. От гравитации до ускорения и трения — физика является ключевой наукой, стоящей за успешной работой всех американских горок. Независимо от того, является ли аттракцион простым детским каботажным судном или сложной машиной крика, все они должны следовать одним и тем же физическим принципам для безопасной и эффективной работы.
Физика американских горок: основные понятия
Самая основная предпосылка физики, влияющая на американские горки, — это поговорка «то, что поднимается, должно опускаться». Однако процесс того, как это «спуск» закручивается в петли, кривые, холмы и инверсии, требует более специальных знаний. Ключевые концепции физики каботажного судна включают:
- Гравитация : Гравитация — это сила, которая притягивает все объекты к центру Земли, и это самая важная физическая концепция, связанная с американскими горками. По сути, как только американские горки отключаются от начального подъема цепи или движущей силы, гравитация гарантирует, что они завершат свой курс по трассе. Гравитация также ощущается гонщиками с точки зрения как положительных, так и отрицательных сил, которые, кажется, толкают гонщиков глубже в их сиденья или вытягивают их из них — захватывающее ощущение, которое нравится многим искателям острых ощущений.
- Потенциальная энергия и кинетическая энергия : эти два взаимосвязанных понятия управляют изменениями скорости и высоты каботажного судна. Проще говоря, чем выше объект находится над землей, тем больше у него потенциальной энергии, то есть потенциала увеличения скорости при падении. Когда он падает на землю, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию или энергию движения. Сумма двух видов энергии постоянна, но американские горки должны поддерживать адекватный баланс потенциальной и кинетической энергии, чтобы обеспечить захватывающую поездку.
- Ускорение : часто путают со скоростью, ускорение на самом деле является изменением скорости, которое может быть изменением либо скорости, либо направления. Таким образом, американские горки ускоряются на петлях и поворотах, даже если их скорость остается постоянной.
- Трение : Физические формулы и расчеты должны включать трение как ключевой фактор для американских горок, потому что трение — это сила, которая может значительно замедлить поездку. Контакт между поездом и воздухом, а также между колесами и рельсами создает трение при поездке.
Дополнительные понятия физики
В дополнение к этим ключевым принципам физики американских горок, другие физические концепции также влияют на то, как они работают, и в равной степени важны для безопасной и увлекательной поездки.
- Давление : Многие тормозные системы американских горок приводятся в действие давлением воздуха, и этого давления должно быть достаточно, чтобы остановить как пустые, так и загруженные поезда, не травмируя пассажиров и не создавая слишком большой нагрузки на конструкцию аттракциона.
- Оптика : оптические датчики помогают компьютерным системам контролировать, где находится аттракцион и как он работает.
- Магнетизм : многие высокотехнологичные аттракционы используют электромагниты либо в качестве движущей силы, либо в качестве тормоза, и для безопасной работы магниты должны быть точно синхронизированы и откалиброваны.
- Электричество : Надлежащее электричество жизненно важно для американских горок, от фактического управления аттракционом до питания украшающих его огней.
Больше научных потребностей
Физика — не единственная наука, необходимая для плавно работающих, захватывающих американских горок. При разработке аттракциона инженеры и должностные лица парка также должны учитывать:
- Биология : то, как стрессы во время езды повлияют на гонщиков, является основным фактором того, будет ли поездка приятной или болезненной. Очень плохо спроектированная поездка может даже привести к потере сознания, головным болям и другим травмам.
- Геология . Современные стальные американские горки весят сотни тонн, и для того, чтобы установить горки на устойчивой опорной поверхности, необходимо хорошее понимание геологии парка. Сидар-Пойнт является примером парка, которому следует уделить особое внимание, поскольку его семнадцать американских горок расположены вдоль берега озера и вокруг болотистой лагуны.
- Климатология : климат, в котором построен аттракцион, может сильно повлиять на типы материалов, используемых для его строительства.
- Психология : то, как называется, украшается и рекламируется аттракцион, требует детального понимания психологии для привлечения райдеров.
Изучение физики с помощью американских горок
Поскольку для проектирования, строительства и эксплуатации американских горок используется так много научных концепций, многие парки развлечений проводят мероприятия «День физики» и приглашают местные школы проверить свои знания на аттракционах парка. Учителя физики могут потребовать, чтобы учащиеся измеряли скорость, углы, скорость, ускорение и другие факты о американских горках , чтобы ответить на вопросы, в то время как некоторые парки предлагают соревнования для начинающих инженеров американских горок, чтобы спроектировать свои собственные аттракционы и построить модели. Это может быть веселым и познавательным мероприятием для учащихся физиков от начальной школы до уровня колледжа.
Дополнительный ресурс
Хотите узнать больше о физике американских горок? Попробуйте онлайн-программу Funderstanding Roller Coaster , где вы можете настроить размеры холмов, вертикальных петель, силы трения и гравитации, массу поезда и другие факторы, чтобы увидеть физические концепции в действии.