過山車中的物理原理

張義勇

一、過山車運(yùn)行原理

1.起步

過山車本身沒有動(dòng)力來源，要走完全程就必須儲(chǔ)備足夠的能量——重力勢(shì)能.運(yùn)行伊始，過山車都要先爬上一段陡坡，隨著過山車高度的不斷增加，其儲(chǔ)備的重力勢(shì)能也逐漸增加.

過山車爬坡的動(dòng)力來源于外部的電動(dòng)機(jī)：首段上升坡道中的鋸齒狀鏈條（圖1）在外部電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，它能鉤住過山車的底部，并將其拉到坡道頂端.就這樣，電動(dòng)機(jī)通過鏈條帶動(dòng)過山車上升并對(duì)其做功，將消耗的電能轉(zhuǎn)化為過山車的機(jī)械能.

2.下坡

當(dāng)過山車越過第一個(gè)坡頂后，它將轉(zhuǎn)而迅速下降（如圖2的AB段，假設(shè)過山車向右運(yùn)行）.隨著過山車高度的不斷降低，其運(yùn)行速度迅速增大，在這個(gè)過程中過山車的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.

3.上坡

當(dāng)過山車上坡時(shí)（圖2的BC段），隨著過山車高度的逐漸增加，其運(yùn)行速度逐漸減小，在這個(gè)過程中，過山車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能.

4.回環(huán)

驚險(xiǎn)刺激的過山車軌道中往往有一個(gè)甚至多個(gè)“回環(huán)”（圖2中的圓環(huán)），在過山車行駛的過程中，它可以迅速地“沖過”圓環(huán)的制高點(diǎn)C.車內(nèi)的乘客在越過C點(diǎn)時(shí)可是頭朝下腳朝上的，車內(nèi)的乘客會(huì)掉下來嗎？

要解決這個(gè)疑問，我們可以參考一個(gè)游戲——水流星（圖3）.表演者用繩子系住裝水的水桶，當(dāng)他拉著繩使水桶在豎直平面內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水桶中的水也不會(huì)流出來.這種神奇的現(xiàn)象來源于“向心力”.

要使物體沿著圓弧軌道做圓周運(yùn)動(dòng)，它所受的合外力就要指向圓心，這個(gè)力叫做向心力.當(dāng)過山車以合適的速度越過最高點(diǎn)時(shí)，人所受重力恰好可以提供使人沿圓周運(yùn)動(dòng)的“向心力”，因而人不會(huì)掉下來.

5.行程

細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，過山車整個(gè)軌道中的最高點(diǎn)往往是第一個(gè)坡道的頂端，其后所有的坡道頂端都比第一個(gè)坡道的頂端低.這是因?yàn)樵谶^山車高速運(yùn)行的過程中，要克服軌道摩擦力和空氣阻力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，過山車的機(jī)械能逐漸減少，所能達(dá)到的最大高度也依次降低.

6.剎車

將近終點(diǎn)時(shí)，通過車輪與軌道間的摩擦使車輛減速，也有一些過山車?yán)么帕x車，直至安全停止.

二、乘坐感受的瞬息萬(wàn)變

1.失重

當(dāng)過山車在蜿蜒曲折的軌道上急速飛馳，乘坐的感受也瞬息萬(wàn)變.當(dāng)過山車加速下降或減速上升時(shí)，乘客感到人快要和座位脫離，如同騰空一般，這種情況叫做“失重”.生活中的“失重”現(xiàn)象較多，乘坐電梯加速下降和減速上升時(shí)，也會(huì)有失重的感覺.

2.超重

當(dāng)過山車加速上升或減速下降時(shí)，乘客感到好像被緊緊地壓在座位上，這種情況叫做“超重”.乘坐電梯加速上升或減速下降時(shí)，也會(huì)有超重的感覺.

我們可以做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來體會(huì)失重和超重.如圖4，將一個(gè)礦泉水瓶的瓶口處綁上一塊薄膜，底部開口后裝入適量的水，手握瓶身保持靜止，觀察此時(shí)薄膜的形變程度.若手持水瓶加速下降，會(huì)發(fā)現(xiàn)薄膜的形變程度減小，說明水與薄膜間的相互作用力減小，這就是失重狀態(tài)；若手持瓶身使其加速上升，發(fā)現(xiàn)薄膜的形變程度增大（甚至?xí)幻浧疲?，說明水與薄膜間的相互作用力增大，這就是超重狀態(tài).

3.座位選擇

在乘坐過山車時(shí)，如果坐在前排，就可以享受一場(chǎng)視覺盛宴.由于視野寬廣，景象的急速逼近和旋轉(zhuǎn)會(huì)讓人感受到強(qiáng)烈的速度感和危險(xiǎn)感.過山車設(shè)計(jì)者們甚至?xí)桃獾卦趶澋栏浇O(shè)置障礙物，讓人覺得過山車即將撞上去一般，從而營(yíng)造出強(qiáng)烈的刺激感.這種視覺沖擊是后排的乘客難以體會(huì)到的.

如圖5，在過山車向右行駛并高速越過坡頂時(shí)，由于慣性，車內(nèi)的乘客會(huì)有種要被甩出軌道的感覺.當(dāng)前排乘客A越過坡頂時(shí)，整個(gè)車輛的重心O仍處在上升過程，這是一個(gè)減速過程.因此A沿軌道運(yùn)行的速度越來越小，導(dǎo)致其感受到“被甩出去”的感覺越來越弱.當(dāng)后排乘客B越過坡頂時(shí)，整個(gè)車輛的重心O已處在下降過程，這是一個(gè)加速過程.因此B沿軌道運(yùn)行的速度越來越大，導(dǎo)致其感受到“被甩出去”的感覺越來越強(qiáng).因此越過同一個(gè)坡頂時(shí)，坐在后排的乘客感覺最刺激.

三、乘坐過山車的注意事項(xiàng)

由于過山車在軌道上高速運(yùn)轉(zhuǎn)，乘客在上車前應(yīng)將容易脫落的物品取下.

乘坐過山車必須系好保護(hù)裝置.國(guó)內(nèi)外都曾發(fā)生過相關(guān)事故，當(dāng)過山車被卡在半空時(shí)，保護(hù)裝置就能為人提供足夠的支撐.另外這些保護(hù)裝置也能保證過山車高速過彎時(shí)，將人體固定在車內(nèi)，防止人體被甩出去.

乘坐過山車時(shí)需要面向前方，以避免耳部受損.國(guó)外有過乘坐過山車導(dǎo)致耳部受損的事件，后來證實(shí)是因?yàn)槠渑c左邊的同伴講話，強(qiáng)風(fēng)直接灌入右耳，強(qiáng)大的氣壓導(dǎo)致他耳道腫大、耳膜發(fā)炎、短暫失聰.