Світ фізики З Ісааком Ньютоном на американських гірках
Ірена Кампа 22.03.2012
Той, хто їде на американських гірках, може відчути, наскільки великі сили працюють. Тому що лише вони роблять можливим особливе відчуття швидких спусків та петель. Вони також гарантують, що мешканці останнього автомобіля часто насолоджуються найбільш "піднесеним" досвідом американських гірок.
Класична їзда на американських гірках починається з підтягування автомобіля до першого пагорба, пагорба підйому, за допомогою ланцюгової передачі. Відтоді він продовжує свою подорож самостійно. Оскільки, як правило, поїзди на американських гірках не мають власного руху (виняток становлять досить рідкісні американські гірки). Енергія, яку має автомобіль завдяки своїй висоті над землею, називається позиційною енергією або потенційною енергією, і цього має бути достатньо для всієї подорожі. Енергія, яка надходить на рух автомобіля, тобто кінетична енергія, на пагорбі ліфта все ще дуже низька. Але це раптово змінюється, коли машина доїжджає до першого виїзду. Коли він мчить до землі, його потенційна енергія перетворюється на кінетичну - машина втрачає висоту, але збільшує швидкість. Кінетична енергія найбільша, а потенційна - найнижча в долині. Потім машина їде на наступний пагорб, і форма енергії змінюється від кінетичної назад до потенційної.
Ця гра перетворень продовжує всю поїздку на американських гірках, завдяки чому сума двох енергій завжди залишається незмінною. Якби частину початкової енергії тертям не перетворили на тепло, їзда на американських гірках могла б тривати вічно.
Гравітація та прискорення в сидінні американських гірок
Парки розваг продовжують встановлювати нові рекорди швидкості, але лише швидкість мало що говорить про задоволення від водіння. Що робить їзду захоплюючою, це прискорення, що впливають на тіло. Фізик говорить про прискорення не тільки при збільшенні швидкості, але і при уповільненні або зміні напрямку руху, тобто при поворотах, пагорбах або долинах. Прискорення викликані різними силами. При спуску сила тяжіння прискорює машину. Під час руху прискорення автомобіля може бути таким же великим, як прискорення кузова при вільному падінні до центру Землі. Таким чином гравітаційна сила врівноважується. Ми не можемо відчувати власну вагу і відчувати невагомість протягом короткого часу.
Якщо машина їде по долині чи по кривій, напрям руху спрямовується рейками на дугоподібну стежку. В результаті пасажир відчуває силу, яка штовхає його вниз у долину або назовні у поворотах. Ця сила називається відцентровою і вона тим більша, чим вища швидкість і тим сильніша кривизна. У басейні відцентрова сила та сила тяжіння працюють в одному напрямку. Пасажир відчуває себе значно важчим, ніж зазвичай.
Американські гірки типу "Дика миша"
Якщо машина їде через вершину пагорба, відцентрова сила діє в зворотному напрямку. Якщо швидкість досить висока, радіальне прискорення від сидіння, яке спричинене відцентровою силою, може бути навіть більшим, ніж прискорення завдяки силі тяжіння. Пасажир піднімається на своє місце і тримається в машині лише за кронштейн. У цьому випадку любитель американських гірок говорить про мінус g або про "ефірний час".
Відцентрові сили виникають кожного разу, коли ви повертаєте за поворот. Щоб пом'якшити їх наслідки, рейки часто нахилені так, що пасажир не розганяється вбік, а на підлогу вагона. Менші американські гірки типу «дикої миші», які часто можна зустріти на щорічних ярмарках, є винятком. Вони мають велику кількість дуже щільних кривих без нахилу рейки. Відвідувачі тут мають відчуття, що машина ось-ось зійде з рейок.
Автомобіль в петлі
Відцентрова сила також має вирішальне значення для іншого вражаючого елемента американських гірок: циклічного циклу. У петлі машина проходить 360-градусну петлю і короткий час перевертається догори дном. Навіть сьогодні існують американські гірки, де відвідувачів захищає лише простий бар. Це можливо лише тому, що відцентрова сила у найвищій точці петлі принаймні така ж велика, як вага. Потім воно діє як "штучна гравітація", яка утримує пасажира в машині.
Правильний вибір місця
З усіма цими знаннями про форми енергії та сил ми можемо тепер дослідити пояснення явища, яке можна спостерігати у багатьох парках розваг: Чому черги на перше і останнє місце найдовші, коли весь поїзд завжди їде з однаковою швидкістю? Пояснення передніх сидінь просте: пасажир сильніше відчуває вітер і має безперешкодний огляд рейок перед собою. Тільки з цієї причини подорож йому здається швидшою. Однак інші ефекти важливі для задніх сидінь.
До цього часу ми завжди розглядали одну машину під час обговорення, яку ми вважали настільки малою, що її розмір не мав значення. Однак на американських гірках дуже часто ходять довгі поїзди, які складаються з декількох вагонів. Автомобілі надають додаткові сили один на одного. Ви можете штовхати один одного або тягнути за собою інших. Звичайно, усі вагони в поїзді завжди мають однакову швидкість, оскільки вони міцно з’єднані між собою. Швидкість, яку має машина в певний момент на трасі, може відрізнятися від швидкості іншої машини, коли вона знаходилася в тому самому місці.
Вибір місця на американських гірках
Припустимо, що наш поїзд на американських гірках складається з п’яти вагонів. В даний час він знаходиться на підйомнику і повільно рухається до спуску через невеликий нахил рейок. Перший автомобіль неквапливо їде по вершині пагорба. Тоді вага першого вагона прискорює весь поїзд. З кожним автомобілем, який перетинає вершину пагорба, ефективна сила зростає. Коли останній вагон знаходиться на вершині, поїзд з американських гірок вже досяг великої швидкості. Пасажир у цій машині має вищий розгін, ніж пасажири в передньому вагоні, оскільки відцентрове прискорення збільшується із збільшенням квадрата швидкості. Тож він відчуває бажаний ефірний час на першому та найвищому спуску більш інтенсивно, ніж інші.
Весь потяг продовжує збільшувати швидкість, поки середній вагон не потрапить на дно долини. На даний момент дві машини вже на підйомі, а дві ще на спуску. Вагові сили тилу, що прискорюють поїзд, і сили переду, які гальмують поїзд, виключають одна одну, за умови, що поїзд однаково навантажений. Середня машина рухається по долині з найбільшою швидкістю, саме тому на неї діють найсильніші позитивні сили g. Потім поїзд сповільнюється, поки середина поїзда не пройде наступний пагорб, і гра починається спочатку. Отже, середні машини найповільніші на пагорбах і найшвидші в долинах, тому вони менш популярні серед гірників, ніж зовнішні машини.
Правило про те, що їзда в задньому вагоні є більш захоплюючою, ніж середня, стосується особливо американських гірок з довгими поїздами та безліччю елементів ефірного часу. На маршрутах з багатьма інверсіями, тобто накладними елементами, інші курси можуть обіцяти більше задоволення. Якщо машини мають більше двох місць на ряд, навіть тут є помітні відмінності. Наприклад, пасажири на зовнішніх сидіннях подорожують на більші відстані за той самий проміжок часу, що й пасажири в центрі, коли вони крутяться спіраллю, і тому вони піддаються більшим прискоренням.
Як американські гірки уповільнюють - а часом і злітають
Після стільки класичної механіки, тепер трохи про сучасні технології американських гірок. Американські гірки можуть важити кілька тонн і досягати швидкості понад 120 кілометрів на годину. Звичайні гальма, які працюють за принципом тертя, піддаються надзвичайно високому зносу з такими вимогами. Але існують і безконтактні технології гальмування, які працюють за принципом електромагнітної індукції.
Спочатку ці гальма із вихровим струмом використовувались у вежах із вільним падінням. Тут гондолу з пасажирами повільно тягнуть на велику висоту. Опинившись вгорі, він звільняється, а потім повністю вільно падає вниз. До гондоли кріпляться міцні постійні магніти, а в нижній частині вежі розміщені гальмівні лопаті з струмопровідного матеріалу. Коли гондола потрапляє в цю область, магніти індукують вихрові струми в провідниках. Ці струми знову утворюють магнітне поле, яке протилежне причинному магнітному полю (правило індукції Ленца). Потім гондола гальмується. Чим швидше провідник і магнітне поле рухаються один проти одного, тим сильніша сила гальмування.
Життєво важливою перевагою цих гальм є те, що вони чудово працюють навіть у разі відключення електроенергії. З 1990-х років на американських гірках також застосовуються вихрострумові гальма. Зазвичай магніти знаходяться на рейці, а гальмівні лопатки на вагоні. Однак нормальні фрикційні гальма все ще є важливими, оскільки магнітні гальма працюють лише тоді, коли між магнітом і провідником відбувається відносний рух, тобто вони не можуть повністю зупинити поїзд або утримати його на схилі.
Найшвидші американські гірки у світі
Правило індукції Ленца також використовується в сучасних приводних системах. На додаток до ланцюгового ліфта, існує можливість надати поїзду достатньо енергії для подорожі катапультним запуском. Цей тип колії використовується з середини 90-х років минулого століття та впровадження LIM (лінійного асинхронного двигуна) у конструкції американських гірок. Автомобіль на американських гірках можна розігнати майже з місця з місця на горизонтальній доріжці. Принцип LIM відповідає принципу роботи двигуна змінного струму, за винятком того, що тут генерується лінійний, а не обертовий рух.
Простіше кажучи, котушки кріпляться до рейок, до яких подається змінний струм. Це створює хвилеподібне «мандрівне поле», яке рухається вздовж рейок. Драбинчасті мечі прикріплені до автомобілів американських гірок, в яких магнітне поле індукує вихрові струми. Створюється протилежне поле. Ефект відштовхування обох магнітних полів використовується таким чином, що магнітне поле автомобіля відтягується полем, що рухається. Щоб це взагалі працювало, потрібна складна технологія електричного управління та вимірювання положення візків з точністю до міліметра. Крім того, на короткий час потрібна величезна кількість енергії, що може перевірити енергетичну мережу парку розваг. Отже, є багато проблем, з якими потрібно опануватись, але відчуття їзди, коли автомобіль вагою в тонни розганяється до ста кілометрів на годину за кілька секунд, вартий зусиль для багатьох парків розваг.
Однак за допомогою цієї системи неможливо досягти рекордів швидкості. Це зажадало б, щоб дуже велика кількість енергії була доступна за дуже короткий час, з яким енергопостачання парку не змогло б впоратися. На сьогоднішній день найшвидший американський американський гірок "Формула Росса" в Дубаї розганяється до 240 кілометрів на годину за 4,9 секунди. За це відповідає гідравлічний привід, при якому кількість енергії стискається протягом більш тривалого періоду часу, а потім раптово виділяється на старті.
Прискорення та g-сили
Згідно з другим законом Ньютона, прискорення тіла можна обчислити із відношення сили, що діє на нього, до його маси F = m · a. Ось чому терміни сила та прискорення часто вживаються як синоніми. Прискорення завдяки силі тяжіння в наших широтах має значення g = 9,81 м/с.
Для того, щоб краще уявити силу, яка спричиняє прискорення, вона виражається кратною прискоренню завдяки силі тяжіння. Тоді дехто вводить в оману про g-сили. При «силі» 3г в три рази його вага діє на тіло. Прискорення до 6 г може ненадовго відбутися на американських гірках. Занадто сильні прискорення або тривають занадто довго можуть виштовхнути кров з мозку в ноги, викликаючи затемнення. Тіло не може настільки добре справлятися з бічними прискореннями, саме тому вони законодавчо обмежені максимум 2g.
Негативні сили g викликають знайоме відчуття поколювання в животі пасажирів. Оскільки наше тіло не є твердою, жорсткою структурою, а складається з багатьох органів, які відносно вільно «підвішені». Якщо гравітаційне прискорення, очевидно, скасовано, органи вже не тиснуть один на одного, але кожен орган, так би мовити, рухається вільним падінням. Окрім поколювання, це може призвести до нудоти у деяких пасажирів.
Відцентрова сила та відцентрова сила
Термін відцентрова сила відомий у повсякденному житті силою, яка діє під час поворотів. Фізик часто говорить про доцентрову силу. За своєю величиною обидві сили рівні, але вони працюють в іншому напрямку. Вони описують одне і те ж явище, різниця лише в точці зору спостерігача. Доцентрова сила - це сила, яка змушує тіло на криволінійному шляху. За це відповідають рейки на американських гірках. Спостерігач, що стоїть перед американськими гірками, може побачити, як машини спрямовуються на їх колію.
З іншого боку, відцентрова сила - це так звана видима сила, яка виникає в прискорених системах відліку. Пасажир на американських гірках відчуває, що сила штовхає його назовні в повороті. Що він відчуває, це інерційність свого тіла щодо зміни напрямку. Оскільки відцентрова сила більше відповідає фактичному досвіду на американських гірках, цей термін використовується в статті.