過(guò)山車(chē)中的物理知識

　　過(guò)山車(chē)中的物理知識

　　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，那么在乘坐過(guò)山車(chē)的過(guò)程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學(xué)定律。實(shí)際上，過(guò)山車(chē)的運動(dòng)包含了許多物理學(xué)原理，人們在設計過(guò)山車(chē)時(shí)巧妙地運用了這些原理。如果能親身體驗一下由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺(jué)真是妙不可言。這次同物理學(xué)打交道不用動(dòng)腦子，只要收緊你的腹肌，保護好腸胃就行了，當然，如果你的身體條件和心理承受能力的限制，無(wú)法親身體驗過(guò)山車(chē)帶來(lái)的種種感受，你不妨站在一旁仔細觀(guān)察過(guò)山車(chē)的運動(dòng)和乘坐者的反應。

　　在開(kāi)始旅行時(shí)，過(guò)山車(chē)的小列車(chē)是靠一個(gè)機械裝置的推力推上最高點(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)它沿著(zhù)軌道行駛的惟一的"發(fā)動(dòng)機"將是引力勢能，即由引力勢能轉化為動(dòng)能、又由動(dòng)能轉化為引力勢能這樣一種不斷轉化的過(guò)程構成的。

　　第一種能，即引力勢能是物體因其所處位置而自身?yè)碛械哪芰�，是由于它的高度和由引力產(chǎn)生的加速度而來(lái)的。對過(guò)山車(chē)來(lái)說(shuō)，它的勢能在處于最高點(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），但它不會(huì )消失，而是轉化成了動(dòng)能，也就是運動(dòng)能。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）。這就是為什么要設計成隨后的小山丘比開(kāi)始時(shí)的小山丘要低的原因：過(guò)山車(chē)已經(jīng)沒(méi)有上升到像前一個(gè)小山丘那樣的高度所需要的機械能了。過(guò)山車(chē)最后一節小車(chē)廂里是過(guò)山車(chē)贈送給勇敢的乘客最為刺激的禮物。事實(shí)上，下降的感受在過(guò)山車(chē)的尾部車(chē)廂最為強烈。因為最后一節車(chē)廂通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)的速度比過(guò)山車(chē)頭部的車(chē)廂要快，這是由于引力作用于過(guò)山車(chē)中部的質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節車(chē)廂的人就能快速地達到和跨越最高點(diǎn)，從而產(chǎn)生一種要被拋離的感覺(jué)，因為質(zhì)量中心正在加速向下。尾部車(chē)廂的車(chē)輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達頂峰附近時(shí)，小車(chē)廂就可能脫軌甩出去。車(chē)頭部的車(chē)廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時(shí)間內，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要"等待"質(zhì)量中心越過(guò)高點(diǎn)被引力推動(dòng)。

　　到達“瘋狂之圈”時(shí)，沿直線(xiàn)軌道行進(jìn)的過(guò)山車(chē)突然向上轉彎。這時(shí)，乘客就會(huì )有一種被擠壓到軌道上的感覺(jué)，因為這時(shí)產(chǎn)生了一種表觀(guān)的離心力。事實(shí)上，在環(huán)形軌道上由于鐵軌與過(guò)山車(chē)相互作用產(chǎn)生了的一種向心力。這種環(huán)形軌道是略帶橢圓形的，目的是為了"平衡"引力的制動(dòng)效應。當過(guò)山車(chē)達到圓形軌道的最高點(diǎn)時(shí)，事實(shí)上它會(huì )慢下來(lái)，但如果彎曲的程度較小時(shí)，這種現象會(huì )減弱。一旦過(guò)山車(chē)走完了它的行程，機械制動(dòng)裝置就會(huì )非常安全地使過(guò)山車(chē)停下來(lái)。減速的快慢是由氣缸來(lái)控制的。