过山车中的物理原理

一、过山车运行原理

1.起步

过山车本身没有动力来源，要走完全程就必须储备足够的能量――重力势能.运行伊始，过山车都要先爬上一段陡坡，随着过山车高度的不断增加，其储备的重力势能也逐渐增加.

过山车爬坡的动力来源于外部的电动机：首段上升坡道中的锯齿状链条（图1）在外部电动机的带动下持续运转，它能钩住过山车的底部，并将其拉到坡道顶端.就这样，电动机通过链条带动过山车上升并对其做功，将消耗的电能转化为过山车的机械能.

2.下坡

当过山车越过第一个坡顶后，它将转而迅速下降（如图2的AB段，假设过山车向右运行）.随着过山车高度的不断降低，其运行速度迅速增大，在这个过程中过山车的重力势能转化为动能.

3.上坡

当过山车上坡时（图2的BC段），随着过山车高度的逐渐增加，其运行速度逐渐减小，在这个过程中，过山车的动能转化为重力势能.

4.回环

惊险刺激的过山车轨道中往往有一个甚至多个“回环”（图2中的圆环），在过山车行驶的过程中，它可以迅速地“冲过”圆环的制高点C.车内的乘客在越过C点时可是头朝下脚朝上的，车内的乘客会掉下来吗？

要解决这个疑问，我们可以参考一个游戏――水流星（图3）.表演者用绳子系住装水的水桶，当他拉着绳使水桶在竖直平面内高速转动时，水桶中的水也不会流出来.这种神奇的现象来源于“向心力”.

要使物体沿着圆弧轨道做圆周运动，它所受的合外力就要指向圆心，这个力叫做向心力.当过山车以合适的速度越过最高点时，人所受重力恰好可以提供使人沿圆周运动的“向心力”，因而人不会掉下来.

5.行程

细心的同学会发现，过山车整个轨道中的最高点往往是第一个坡道的顶端，其后所有的坡道顶端都比第一个坡道的顶端低.这是因为在过山车高速运行的过程中，要克服轨道摩擦力和空气阻力做功，机械能转化为内能，过山车的机械能逐渐减少，所能达到的最大高度也依次降低.

6.刹车

将近终点时，通过车轮与轨道间的摩擦使车辆减速，也有一些过山车利用磁力刹车，直至安全停止.

二、乘坐感受的瞬息万变

1.失重

当过山车在蜿蜒曲折的轨道上急速飞驰，乘坐的感受也瞬息万变.当过山车加速下降或减速上升时，乘客感到人快要和座位脱离，如同腾空一般，这种情况叫做“失重”.生活中的“失重”现象较多，乘坐电梯加速下降和减速上升时，也会有失重的感觉.

2.超重

当过山车加速上升或减速下降时，乘客感到好像被紧紧地压在座位上，这种情况叫做“超重”.乘坐电梯加速上升或减速下降时，也会有超重的感觉.

我们可以做一个小实验来体会失重和超重.如图4，将一个矿泉水瓶的瓶口处绑上一块薄膜，底部开口后装入适量的水，手握瓶身保持静止，观察此时薄膜的形变程度.若手持水瓶加速下降，会发现薄膜的形变程度减小，说明水与薄膜间的相互作用力减小，这就是失重状态；若手持瓶身使其加速上升，发现薄膜的形变程度增大（甚至会被胀破），说明水与薄膜间的相互作用力增大，这就是超重状态.

3.座位选择

在乘坐过山车时，如果坐在前排，就可以享受一场视觉盛宴.由于视野宽广，景象的急速逼近和旋转会让人感受到强烈的速度感和危险感.过山车设计者们甚至会刻意地在弯道附近设置障碍物，让人觉得过山车即将撞上去一般，从而营造出强烈的刺激感.这种视觉冲击是后排的乘客难以体会到的.

如图5，在过山车向右行驶并高速越过坡顶时，由于惯性，车内的乘客会有种要被甩出轨道的感觉.当前排乘客A越过坡顶时，整个车辆的重心O仍处在上升过程，这是一个减速过程.因此A沿轨道运行的速度越来越小，导致其感受到“被甩出去”的感觉越来越弱.当后排乘客B越过坡顶时，整个车辆的重心O已处在下降过程，这是一个加速过程.因此B沿轨道运行的速度越来越大，导致其感受到“被甩出去”的感觉越来越强.因此越过同一个坡顶时，坐在后排的乘客感觉最刺激.

三、乘坐过山车的注意事项

由于过山车在轨道上高速运转，乘客在上车前应将容易脱落的物品取下.

乘坐过山车必须系好保护装置.国内外都曾发生过相关事故，当过山车被卡在半空时，保护装置就能为人提供足够的支撑.另外这些保护装置也能保证过山车高速过弯时，将人体固定在车内，防止人体被甩出去.

乘坐过山车时需要面向前方，以避免耳部受损.国外有过乘坐过山车导致耳部受损的事件，后来证实是因为其与左边的同伴讲话，强风直接灌入右耳，强大的气压导致他耳道肿大、耳膜发炎、短暂失聪.