过山车工作原理.pdf

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1、过山车工作原理1.引言如果您正在学习物理，那么恐怕没有任何课堂能比过山车更让人感到兴奋。过山车几乎完全是由基本的惯性、引力和向心力驱动的，而在乘坐过山车的过程中，所有这些因素均处于精确控制之下。游乐园不断加大投资，建造出更快、更复杂的过山车，但这些过山车的基本工作原理是相同的。在本文中，我们将探讨过山车沿轨道高速运行的原理。此外，还将介绍过山车持续运行所需的硬件设施以及令这项活动如此妙趣横生的各种作用力。座落于英格兰黑泽市“快乐海滩”游乐园的百事极限一号(PepsiMaxBigOne)过山车有着蜿蜒曲折的轨道，总长

2、超过1,524米。乍一看，过山车和客运列车有些相像。它由一系列前后相接的车厢组成，这些车厢将在轨道上移动。但与客运列车不同的是，过山车本身没有发动机或动力源。过山车在大部分运行时间里只靠惯性和重力运动。只有在运行的初始阶段，当过山车借助牵引力爬上第一个山坡（称为提升山坡）时才会使用其他动力。初始的上升过程旨在积蓄势能。势能常常称为位能，这个概念非常简单：过山车在空中升得越高，它在重力作用下的下降距离就越大。想想您在驾驶汽车、骑自行车或拉着雪撬爬上山坡时的情景，就会知道自己时时都在经历这种现象。您在爬上山坡时积蓄的势

3、能可以作为动能释放出来，所谓动能，也就是带您下山的运动能量。1.1能量转化正如我们在上面看到的，过山车轨道起始处的提升山坡起到了积蓄势能的作用。于是当您开始从第一个山坡向下滑行时，将转由重力控制，积蓄的所有势能向动能转化。重力向过山车施加了恒定的向下作用力。过山车的能量不断在势能和动能之间转化。在第一个山坡的顶部(a)，列车达到了它的最高点，故而拥有最大的势能。当列车开始沿山坡向下运动时，势能转化为动能，列车的速度加快。在山坡底部(b)，动能达到最大，势能降到最低。动能推动列车爬上第二个山坡(c)，并逐渐提高势能水

4、平。当列车进入大回环(d)时，它拥有大量动能，但势能较少。在列车上升到回环顶部(e)的过程中，势能水平提高，但随着它离开回环(f)，势能很快又重新转化为动能。过山车轨道的作用在于引导作用力，控制过山车下落的方式。如果轨道是向下倾斜的，重力将拖着过山车的前端向地面冲去，从而使它的速度加快。如果轨道向上倾斜，重力会对过山车的后部施加一个向下的力，使之减速。1.2沿轨道爬升和下降由于运动中的物体倾向于保持它的运动状态（牛顿第一运动定律），因此过山车即使是在沿轨道上行并受到重力的向下作用时也会保持一个向前的速度。当过山车爬

5、升初始提升山坡之后的某个较低的山坡时，它的动能会重新转化为势能。这样，过山车在轨道上持续进行动能和势能之间的转化。这种加速度的变化正是过山车的有趣之处。黑泽市“快乐海滩”游乐园中的百事极限一号(PepsiMaxBigOne)过山车：第一个山坡会使列车以119公里/小时的速度下落62米。在大多数过山车中，沿着轨道前进，山坡的高度会依次降低。这是必要的，因为列车在提升山坡所积蓄的能量总额会在它与轨道以及空气间的摩擦中逐渐损耗。当列车滑行到轨道末端时，积蓄的能量几乎全部耗尽。这时，列车会停下来，或是被送到提升山坡以便再次

6、运行。从最基本的层面来看，过山车不过是一部利用重力和惯性使列车沿蜿蜒的轨道行进的机器。在以下几部分中，我们将介绍使这部机器得以运行的不同组成部分。2.过山车的两种类型在上一部分中，我们介绍了过山车的基本要素。过山车沿着一条蜿蜒曲折的长轨道行进。这条轨道的起点是一条陡峭的向上坡道，过山车可以在此积蓄势能。轨道其余部分的山坡、山谷、盘旋和弯道使积蓄的能量在势能和动能之间来回转化。当列车移动时，它的能量会因摩擦而逐渐损耗，直到到达运行终点为止。座落于美国加利福尼亚州圣塔克鲁兹市“海滩木板路”游乐园的大北斗星(GiantD

7、ipper)过山车：这座经典的木制过山车始建于1924年。过山车分为两大类型，主要根据其轨道结构进行区分。木制过山车的轨道类似于传统的列车铁轨。过山车的金属轮子在平坦的金属条上滚动，每根金属条的宽度为10至15厘米。这种金属条是用螺钉固定在运行轨道上的，运行轨道用胶合木板制成，十分坚固。在大多数过山车中，车厢的轮子采用了与列车相同的凸缘设计，即车轮内部形成一个唇状结构，使车厢不致滚到轨道外面去。车厢还有另一组轮子（有的只是一根安全杆），它们在轨道下方滚动。这可以防止车厢飞到空中。木制过山车轨道是用枕木和呈对角线交叉

8、的支撑梁来固定的，整个轨道结构安置在一个由木制或钢制的梁搭成的格架上，就像用来支撑房屋或摩天大楼的横梁框架。利用这些材料，设计师们可以将山坡、盘旋和弯道结合起来，形成拥有变化无穷的路线布局。他们甚至可以让列车上下翻转（虽然这在现代的木制过山车中并不常见）。不过，由于轨道本身和支撑架构十分笨重，因此木制轨道缺乏灵活性。这使构建复杂的盘旋和弯道变得十分困难。在木