物理学原理在游乐场中的应用

《物理学原理在游乐场中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、物理学原理在游乐场中的应用2011-11-14物理是一门历史悠久的自然学科。随着科技的发展，社会的进步，物理已经渗入到人类生活的各个领域：小到我们身边的衣食住行，大到航天航空技术的发展，这些都无一例外的与物理学密切相关。生活中处处蕴含着物理知识，那么我们就以游乐场为例，游乐场的设施大多与力学、运动学以及电磁学密切相关，下面就以几个我们常见的游玩项目来做简单的介绍：过山车过山车又称云霄飞车，常见于游乐园和主题乐园中。拉马库斯·阿德纳·汤普森是第一个注册过山车相关专利技术的人（1865年1月20日），并因制造过数十个过山车设施，而被誉称为“重力之父”。一个基本的过山车运动过程中

2、，包含了爬升、滑落、倒转，其轨道的设计不一定是一个完整的回圈。大部分过山车每个车厢的规格为可容纳2人、4人或6人，这些车厢利用钩子相互连结起来，就像火车一样。  乘坐过山车虽然非常刺激，但是过山车基本上是一个非常安全的设施。根据美国消费者产品安全委员会和六旗乐园的调查显示，2001年中游客搭乘过山车的死亡率约为15亿分之一。乘坐过山车那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣的话，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下能量

3、守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了。　　在刚刚开始时，过山车的小列车依靠一个机械装置的推力到达轨道的最高点，但在第一次下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿轨道行驶的唯一“发动机”是引力势能，过山车的运动过程就是由势能转化为动能、又由动能转化为势能的一种能量不断转化的过程。  引力势能是物体因其所处位置而拥有的能量，是由其高度和由引力产生的加速度形成的。对过山车来说，它的势能在处于最高点时达到最大值，也就是当它爬升到轨道的顶峰时最大。当过山车开始下行时，它的

4、势能就不断地减少，并转化为动能。在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道摩擦产生了热量，损耗了少量动能和势能，因此在过山车轨道的设计中，随后的“山坡”比开始时的“山坡”高度要低一些。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘那样的高度所需要的机械能少了。　过山车的最后一节车厢是它赠送给勇敢乘客最为刺激的礼物。事实上，坐在过山车尾部车厢的乘客对过山车下降的感受最为强烈。因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这是引力作用于过山车中部质量中心的缘故。这样，乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点，从而产生一种要被抛离的感觉。由于质量中心正在加

5、速向下，因此过山车尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨而被甩出去。而头部的车厢情况则不同，它的质量中心在“身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态，但是它要“等待”质量中心越过最高点被引力推动。过山车的竖直立环是一种离心机装置，当列车接近回环时，乘客的惯性速度笔直地指向前方。但车厢一直沿轨道行进，使乘客的身体无法按直线运动。于是重力推着乘客离开车厢的地板，而惯性则将乘客向地板方向挤压。乘客本身的外向惯性产生某种“伪重力”，使乘客即使在头朝下时也能牢牢地停留在车厢的底部。当然乘客需要某种安全护具来保证自己的安全，但在大多数大回环中，无论有

6、没有护具，乘客都会停留在车厢中。当列车沿着回环移动时，作用在乘客身上的合力在不断地变化。在回环的最底部，竖直加速度对乘客施加一个向下推力，方向与重力一致。在此时，由于乘客受到同一方向的两股推力，所以会感到自己特别沉重。当一路冲上回环时，竖直加速度则把乘客向地板的方向推。所以乘客会感到重力将您向座位方向挤压。在回环的顶部，乘客完全倒转了过来，指向地面的重力想把乘客拖出座位，但支持力比重力更强，它的方向指向天空，把乘客压在座位上。由于两股推力的方向相反、强度大致相等，于是乘客会感觉身体变得极轻。和急速下降时一样，乘客在回环的顶部也会出现短暂的失重现象。等列车驶出回环，沿水平方向

7、行进，乘客又会回到原来的重力。大回环的魅力在于，它在短短的一段轨道中塞进了丰富的元素。在几秒钟内，作用在乘客身上的力不断变化，从而让人体验到各种不同的感觉。当这些力作用于身体的各个部位时，眼睛会看到整个世界都倒了过来。对于许多过山车乘客而言，在回环顶部是整个运行过程中最精彩的一刻，人们会感到身体轻如羽毛，眼中只能看到天空。在大回环中，竖直加速度的强度是由两个因素决定的：列车的速度和弯道的角度。当列车进入回环时，它拥有最大的动能，也就是说，它以最快的速度移动。在回环的顶部，重力已经在一定程度上降低了列车的速度，所以列