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“过山车”的刺激背后……

时间:2022-10-23 09:50:04 来源:网友投稿

“长度为L的无动力翻滚过山车以某一初速度沿水平轨道运动,然后进入竖直平面内半径为R的圆形轨道,如不计轨道间的摩擦,且L>2πR,为使过山车能顺利通过圆形轨道,则过山车的初速度至少为多大?”

眼熟么?高中的物理课上是不是见过这样的题?记得第一次看到题目的时候,还很难把严密、甚至有些枯燥的物理题与游乐场中最吸引人的游乐项目联系起来。

提到过山车,人们无不为它那风驰电掣般的速度所着迷:子弹一般一飞冲天,自由落体极速下落,尖叫声此起彼伏……人们痴迷于过山车急速下落时带来的乐趣和刺激,却忽略了在这个过程中所蕴含的许多科学知识。

以最简单的一个上坡一个下坡加一个翻滚的过山车为例,它就是个活生生的“能量守恒”样本:一开始,电动机把车拉到山顶,在这个过程中,电能转化为势能;随后下落,速度越来越快,最初的势能转化为动能;在翻滚中,动能和势能不断地交替转变,同时还有一部分能量由于摩擦而消失;最后刹车,过山车停下来,剩余的动能完全转化为热能。

当然,这种基础式在“过山车发烧友”看来,不是很有吸引力,原理也比较简单。垂直式、悬挂式、“回飞”式,这些才是他们的心头好,每一种都能在《游乐场中的科学》里一窥究竟。

《游乐场中的科学》一书,不妨改叫“过山车中的科学”,全书共4本,4/5以上的内容都围绕着过山车展开。不过也难怪,谁叫过山车是“游乐场之王”呢,技术也最全面。精美的图片加上详尽的讲解还是很有可读性。视觉盛宴加头脑风暴让学生觉得物理也挺有趣。

乘坐过山车最大的乐趣莫过于刺激。一般说来,最高的过山车轨架能提供最快的速度。一种获得超级速度的方式比较少见,就是弹射式加速。弹射器通过压缩空气瞬间提供巨大能量,使过山车以极高速度被弹射出去,乘坐者感受到4倍于体重的压力。日本“终极飞车”占领此类排行榜首位,172公里/时能带来乘坐喷气式飞机的感觉。

在乘坐中,速度有一个“敌人”——摩擦力,就是它使得过山车变慢直至停止。今后,过山车依然免不了停止,但是速度还能提高,这就要提到日本磁悬浮列车,它靠磁力“悬浮”在轨道上避免摩擦阻力。在不远的将来,过山车也能用上磁悬浮,到时206公里/时也将被超越。

如果真是“过山车发烧友”,此书还能做旅游指南,能让你记下一连串向往的过山车:

英国奥尔顿塔公园有世界上第一台垂直过山车,接近90度的下落冲进洞里,给人以一头栽进地壳的感觉;

美国加利福尼亚“超人:逃亡”,是世界上空中时间最长的过山车,有足足6秒的失重时间。

《游乐场中的科学》

(英)内森·利波拉 著

科学普及出版社

[书摘]

1.大多数人都认为过山车最前面的座椅最好,因为坐在那些位置的人会获得最好的视觉享受,视野开阔,非常刺激。

但有些过山车爱好者更喜欢最后面的座椅,因为最后面的座椅能产生最大的加速度,让人有更加刺激的感觉!

2.过去的反转过山车几乎是纯圆的形状,这种设计会使过山车在运动过程中向心力非常大,从而导致了很多乘客颈部受伤。

现在的反转过山车被设计成像水滴形状的回旋曲线,这样的过山车能减少反转时产生巨大的力。

3.过山车的框架有钢铁的,也有木制的。木制比钢铁轻又有足够的强度。当过山车通过的时候,木制框架会有轻微的弯曲并剧烈摇动同时发出“咔哒咔哒”的响声,而这些吸引了大批的过山车爱好者。

4.你的耳朵里有好多充满液态(淋巴液)的细小管子。当你乘坐过山车的时候,管子里的液体会晃动失去平衡,这样能让你产生眩晕的感觉。

[作者简介]

1996年于剑桥大学国王学院获得理论物理学博士学位,2008年至今于英国谢菲尔德大学从事计算神经学与机器人科学研究。著有《钼元素》、《游乐场中的科学》。

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