Физика американских горок

Проезжая по крутым поворотам и спускаясь с крутых холмов, вы можете ожидать, что физика американских горок заставит вас зайти в тупик. Действительно, вся поездка на американских горках является чудом инженерной мысли и требует большого количества математических расчетов, особенно с учетом безопасности. Основные физические принципы американских горок довольно просты, однако понятия, которые новые студенты-физики изучают в первом семестре.

Самая большая концепция американских горок - это взаимное преобразование кинетической и потенциальной энергии. Думаете, это был полный рот? Давайте сломаем это. Кинетическая энергия – это энергия движения. Все, что движется, обладает кинетической энергией, определяемой массой объекта (тесно связанной с весом) и скоростью (скоростью), с которой движется объект. С математической точки зрения,

К знак равно 1/2 * м * v^2 . . . (K — кинетическая энергия, m — масса, v — скорость)

Потенциальная энергия часто рассматривается как накопленная энергия. Он называется «потенциальным», потому что он может выполнять работу, например, ускорять автомобиль на американских горках. В американских горках потенциальная энергия является результатом гравитации. Вы, вероятно, уже знаете об этом, если бы вы собирались упасть с крыши, вы бы предпочли, чтобы вы упали с крыши одноэтажного дома на ранчо, чем с крыши двадцатиэтажного офисного здания. В каждом случае гравитация работает, чтобы ускорить вас к земле, но она делает больше работы в более длительном путешествии, заставляя вас двигаться быстрее. Гравитационная потенциальная энергия рассчитывается с использованием массы объекта, его высоты над землей и ускорения свободного падения (9,81 м/с^2). Говоря языком математики,

U знак равно м * г * час . . . (U — потенциальная энергия, m — масса, g — гравитация, h — высота)

Что делает американские горки такими забавными, так это то, что эти две формы энергии легко меняются. На вершине большого холма американские горки движутся медленно, поэтому у них много потенциальной энергии, но очень мало кинетической. К тому времени, когда он достигает подножия этого холма, потенциальной энергии остается очень мало, но кинетическая энергия резко возрастает, когда вы пролетаете мимо. Ключом к тому, чтобы американские горки работали, является обеспечение достаточного количества кинетической энергии, чтобы некоторая ее часть всегда оставалась на вершине любого холма или петли (на вершине петли требуется больше, но это приходит позже). Вот почему многие американские горки начинают с того, что тянут машины за цепь на вершину самого большого холма. В этот момент у вас больше потенциальной энергии, чем вам потребуется в любой другой точке пути.

Энергия может быть преобразована в другие формы, кроме кинетической и потенциальной. Большинство людей знают, что трение возникает, когда два предмета трутся друг о друга. Большинство также будет знать, что это генерирует тепло. Тепло — это форма энергии, поэтому везде, где есть трение, вырабатывается тепловая энергия. Эта энергия исходит из кинетической энергии. Часть энергии движения теряется для производства тепла, а это означает, что всякий раз, когда возникает трение, движущийся объект теряет энергию и замедляется. Американские горки не принесут особого удовольствия, если они остановятся на полпути, поэтому дизайнеры работают над тем, чтобы свести к минимуму трение. Колеса спроектированы так, чтобы свести к минимуму контакт с гусеницей, а колеса и гусеницы изготовлены из материалов, уменьшающих трение. (Вы можете подумать, например, что дорожка из наждачной бумаги была бы плохой идеей.) Сопротивление воздуха — это еще одна форма трения,

Следующая тема в американских горках - это задействованные силы. Автомобиль американских горок довольно массивный, и для изменения его направления требуется большое усилие. Сама дорожка американских горок должна создавать эту силу, называемую нормальной силой. [Нормальная сила — это сила, с которой любая поверхность действует на объект, толкающий ее, например, если вы опираетесь на стену. Стена давит на вас с силой, равной силе, которую вы прикладываете к ней. Еще немного, и вы провалитесь сквозь стену, еще больше — и вас оттолкнет от стены.] Поскольку эти силы должны быть достаточно большими, чтобы выполнять крутые повороты и петли, американские горки должны быть построены с достаточной прочностью, чтобы выдерживать и выдерживать нагрузки. требуемые силы. Вот почему американские горки имеют обширные опорные конструкции.

Наконец, есть инерция. Инерция для наших целей — это физическое свойство, согласно которому любой движущийся объект будет продолжать двигаться по прямой линии, если на него не воздействует внешняя сила. Мы только что обсудили очень большие силы, необходимые для преодоления этой инерции при повороте американских горок. Вот почему вы чувствуете, что вас «прижимает» к вашему сиденью или ремням безопасности, когда вы поворачиваете или преодолеваете внезапные подъемы. Инерция заставляет ваше тело двигаться по прямой линии, пока ваше сиденье или ремни безопасности не заставят вас изменить направление. Может показаться заманчивым думать, что инерция — это плохо, но она также позволяет вам испытать радость от зацикливания петель. Когда американские горки проходят петлю, вы не падаете на голову и даже не падаете со своего сиденья на привязь. Это опять же из-за инерции, что заставляет ваше тело двигаться вперед в своем восходящем движении, пока оно не будет вынуждено повернуться вниз под действием как силы тяжести, так и нормальной силы, создаваемой вашим сиденьем. Американские горки испытывают подобное обстоятельство, отталкиваясь вниз под действием силы тяжести и гусеницы, поэтому вместе вы и американские горки поворачиваетесь и вместе падаете вниз с другой стороны петли, при этом ваша передняя инерция все еще прижимает вас к вашему сиденью. и машина против трассы (с гусеницей и вашим сиденьем, отодвинутым назад).

В общем, все американские горки — сложный шедевр, построенный на понятиях энергии и силы. Освойте их, и ворота в дизайн американских горок открыты для вас. И не волнуйтесь, понимание того, что американские горки не делают их менее захватывающими. (Только длинные строки делают это.)