過山車中有學問

丁　一

同學們，你坐過過山車嗎?那種風馳電掣、有驚無險的快感令不少人著迷。如果你對物理學感興趣，那么在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學定律。

實際上，過山車的運動包含了許多物理學原理，人們在設計過山車時便巧妙地運用了這些原理。如果能親身體驗一下由能量守恒、加速度和力結(jié)合在一起產(chǎn)生的效果，那感覺真是妙不可言。這次同物理學打交道不用動腦子，只要收緊你的腹肌，保護好腸胃就行了，當然，如果受你的身體條件和心理承受能力的限制，無法親身體驗過山車帶來的種種感受，你不妨站在一旁仔細觀察過山車的運動和乘坐者的反應。

在開始旅行時，過山車的小列車是靠一個機械裝置的推力推上最高點的，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動力了。因此，從這時起，帶動它沿著軌道行駛的“發(fā)動機”將是引力勢能，即由引力勢能轉(zhuǎn)化為動能。又由動能轉(zhuǎn)化為引力勢能這樣一個不斷轉(zhuǎn)化的過程構(gòu)成的。

引力勢能是物體因其所處位置而自身擁有的能量，是由于它的高度和由引力產(chǎn)生的加速度而來的。對過山車來說，它的勢能在處于最高點時達到了最大值，也就是當它爬升到“山丘”的頂峰時最大。當過山車開始下降時，它的勢能就不斷減少(因為高度下降了)，但它不會消失，而是轉(zhuǎn)化成了動能。不過，在能量的轉(zhuǎn)化過程中。由于過山車的車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(動能和勢能)。這就是為什么要設計成隨后的小山丘比開始時的小山丘要低的原因，過山車已經(jīng)沒有上升到像前一個小山丘那樣的高度所需要的機械能了。

過山車最后一節(jié)車廂是過山車贈送給勇敢的乘客最為刺激的禮物，因為下降的感受在過山車的尾部車廂最為強烈，最后一節(jié)車廂通過最高點時的速度比過山車頭部的車廂要快，這是由于引力作用于過山車中部的質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節(jié)車廂的人就能快速達到和跨越最高點，從而產(chǎn)生一種要被拋離的感覺，尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達頂峰附近時，小車廂就可能脫軌甩出去。車頭部的車廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要“等待”質(zhì)量中心越過高點被引力推動。

到達“瘋狂之圈”時，沿直線軌道行進的過山車突然向上轉(zhuǎn)彎。這時，乘客就會有一種被擠壓到軌道上的感覺，因為這時產(chǎn)生了離心力。事實上，這是在環(huán)形軌道上由于鐵軌與過山車相互作用產(chǎn)生的一種向心力。這種環(huán)形軌道是橢圓形的，目的是為了“平衡”引力的制動效應。當過山車達到圓形軌道的最高點時，它會慢下來，但如果彎曲的程度較小時，這種現(xiàn)象就會減弱。一旦過山車走完了它的行程，機械制動裝置就會非常安全地使過山車停下來。