Kolejki górskie mogą być maszynami wywołującymi dreszcze i łzy, ale są również fascynującymi przykładami złożonej fizyki w pracy.

Przeprowadzenie szeregu samochodów przez węzeł upadków, przewrotów, przewrotów i startów wymaga zespołów inżynierów mechaników analizujących takie pojęcia, jak siły, przyspieszenie i energia. Aby zorientować się w nauce stojącej za naszymi ulubionymi przejażdżkami, porozmawialiśmy z Jeffreyem Rhoadsem, profesorem w Purdue’s School of Mechanical Engineering i twórcą uniwersyteckiej klasy dynamiki kolejek górskich.

Ukończenie obwodu

Zacznijmy od podstaw. Kolejki górskie, jak wszystko inne, muszą przestrzegać prawa zachowania energii, co oznacza, że ​​pociąg może jechać tylko tak szybko i tak daleko, jak pozwala na to ilość zmagazynowanej (potencjalnej) energii.

Energia potencjalna zwykle pochodzi z podnoszenia pociągu na wzgórze za pomocą łańcucha lub liny. Gdy pociąg jedzie w dół wzgórza, energia potencjalna zamienia się w energię ruchu (kinetyczną); im szybciej jedzie pociąg, tym więcej ma energii kinetycznej.

Energia kinetyczna zamienia się z powrotem w energię potencjalną, gdy samochody wjeżdżają na kolejne wzniesienia. Ponieważ samochody z konieczności tracą trochę energii przez siły takie jak tarcie i opór powietrza, najwyższy punkt na tradycyjnej kolejce (pomyśl: Six Flags Magic Mountain Goliat lub Zakręcony Kolos przejażdżki) to prawie zawsze pierwsza górka. Jeśli pojawi się kolejny duży spadek wyższy niż pierwszy, projektanci dodają więcej wind (pomyśl: duży spadek na końcu Splash Mountain Disneya).

Niektóre podstawki opadają o więcej niż 90 stopni, zakrzywiając się do wewnątrz na szczycie wzgórza wyciągowego, jak na Valravn w Cedar Point. Fizyka w grze jest taka sama, ale Rhoads mówi, że te krople mogą zapewnić bardziej dotkliwe uczucie nieważkości.

Inne podstawki, takie jak Kingda Ka z Six Flags Great Adventure lub Top Thrill Dragster z Cedar Point, gromadzą energię w wyrzutniach, tłokach pinballowych napędzanych płynem lub powietrzem lub w elektromagnesach wbudowanych w tor i samochody. Podnośniki startowe nie wymagają gigantycznych wzniesień (co pozwala zaoszczędzić dużo miejsca) i oferują inny rodzaj dreszczyku oczekiwania. Duże parki wymagają różnych wrażeń dla rowerzystów, a kolejki górskie to świetny sposób na zmianę klimatu, mówi Rhoads.

Pętle, przewroty i obroty

Inżynierowie generują dreszczyk emocji dzięki przyspieszeniu — zasadniczo zmieniając prędkość jeźdźców w wysoce zaprojektowany, nienaturalny sposób. Inżynierowie podstawek odwołują się do praw ruchu Newtona, aby skłonić rowerzystów do odczuwania połączonych sił grawitacji i przyspieszenia, co daje ekscytujące, niezwykłe odczucie ciała. Pętle, korkociągi i ciasne zakręty wymuszają na rowerzystach. ciała pionowo i poziomo w obliczonych sposobach.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego pętle mają kształt łezki, a nie okrągłe? Wyzwaniem jest zaprojektowanie przejść do i z pętli” – mówi Rhoads. „Musisz się upewnić, że nie powodujesz szarpnięć ani zmian przyspieszenia, które mogą prowadzić do urazów kręgosłupa szyjnego. Wszystko, co porusza się po okręgu, doświadcza innego rodzaju przyspieszenia, zwanego przyspieszeniem dośrodkowym, które zwiększa się, im szybciej jedzie samochód lub im mniejszy jest okrąg. Pętla kołowa spowodowałaby wstrząs spowodowany nagłym dodaniem przyspieszenia dośrodkowego. Kształt łezki kontroluje to przyspieszenie, ułatwiając jeźdźcowi pokonywanie pętli i zapobiegając szarpnięciu.

Są też rolki, które mogą dezorientować jeźdźców na kilka sposobów. Inline twists to rolki, które obracają pociągi wokół toru, ale rolki sercowe próbują obracać jeźdźców wokół klatki piersiowej. Kolos w Thorpe Park (powyżej) jest najlepszym przykładem przechyłów na linii serca w pracy — 90-sekundowa jazda ma 10 przewrotów, w tym cztery kolejne przechyły linii serca. Zobaczymy więcej kolejek z wieloma rolkami w serii jedna po drugiej, powiedział Rhoads, ponieważ powoduje to ogromną dezorientację.

Drewno kontra stal

Drewniane podkładki nie mogą zbyt dobrze pomieścić pętli, więc często są mniej dezorientujące niż ich stalowe odpowiedniki. Dlaczego więc niektórzy jeźdźcy je wolą? Ludzie... jak oczekiwanie, ich chwiejność, która ich trochę wzmacnia. Chcą mieć wrażenie, że struktura porusza się pod nimi, mówi Rhoads. Podstawki stalowe są prawie dokładnym przeciwieństwem. To tak, jakby jeździć zabytkowym pojazdem w porównaniu z prowadzeniem najnowszego samochodu sportowego.

Drewniane podkładki zwykle nie mają pętli ani rolek, ponieważ wymagałoby to zbyt dużo drewna, aby utrzymać siłę ciężkiego pociągu kolejki górskiej. Hades 360 na Mt. Olimp w Wisconsin obsługuje rolkę na drewnianych szynach ze stalowym rusztowaniem.

Podstawki nowej generacji

Jest tylko tyle sposobów, na które możesz rzucać ludźmi w małych wózkach, wysyłając ich w górę, w dół i do góry nogami. Niektórzy konstruktorzy przejażdżek tworzą przedziały, które toczą się niezależnie od samochodów, okrążając osie prostopadle do toru, co dodaje więcej przewrotów bez konieczności wykonywania kolejnych pętli. Naprawdę możesz to zobaczyć na The Joker w Wielkiej Przygodzie Six Flag (poniżej).

Jednak przeżycia z kolejki górskiej to coś więcej niż tylko suma ich przyspieszeń. Inni budowniczowie dodają światła, dym, wysyłają podstawki pod ziemię i dodają śmigłowce, które są blisko, ale nie za blisko, które zapewniają dodatkowy element dreszczyku emocji i/lub przerażenia. To jest trajektoria, którą będziemy podążać przez jakiś czas, powiedział Rhoads. Większe i szybsze nie będą już dłużej możliwe.