过山车背后的物理小知识,你知道多少?

2018年09月19日
撰文/周晓秋
本文节选自《知识就是力量》8月刊
 
游乐园是孩子们的快乐王国,走进游乐园,过山车那充满惊险的三维空间超高速运动,往往最能激起青少年探险的兴趣。
但是你知道吗,在你的尖叫声与欢笑声中,其实已经和经典物理学的奠基人牛顿不期而遇了很多次。想知道你都在哪里遇到过牛顿大神吗?快看过来,这就为你揭秘!
一、没有动力为什么也能全程快速滑行?
过山车亦称云霄飞车,虽然全球的过山车种类繁多,但无论哪一种,其本身都无动力。虽然过山车没有动力,但它的速度却并不低,最高时速可达240千米。有的过山车从130多米的高空俯冲下来,百公里加速仅需1秒,而世界名车法拉利也需3.1秒。
那么,过山车的动力究竟源自哪里呢?原来,过山车起步时依靠机械牵引或弹射等方式,使它从整条轨道最低处爬升到最高点,将其他形式的能量转换成过山车最大的重力势能—这就是过山车走完全程所需的全部能量。而重力势能的形成,是因为物体间都存在着相互吸引的力—万有引力。
过山车没有动力也能达到很高的速度,这是因为处在制高点上的过山车在重力作用下,获得了向下的加速度。牛顿第二定律就揭示了力的这种作用效果。随着过山车从最高点快速滑下,其势能快速减小,动能快速增大。到达最低点时,根据能量守恒定律,过山车的能量不会消失,而是将势能全部转换为过山车的动能(忽略摩擦及空气阻力)。当运动到最低点时,过山车并不会停下来,它借助动能又冲上下一个的制高点,动能又迅即转换为过山车的势能。
另外,由于摩擦和空气阻力并不能忽略,因此过山车要消耗一定的机械能来克服摩擦和空气阻力。根据能量守恒,过山车的机械能会在运动中不断减小。由于能量减小,而质量和重力加速度都未改变,所以过山车所能越过的制高点只能逐次降低了。
二、倒悬为何有惊无险?
当过山车越过垂直立面轨道顶端时,人和车呈倒悬状态,让人惊恐不已。其实过山车通过倒悬路段时,做高速圆周运动的人和车都获得了较大的惯性。在惯性作用下,人和车都紧贴着轨道运动。此时,即便取掉固定人和车的护具,人和车都不会掉下来。
当然,为安全起见,运行中不允许取掉任何安全护具。
看,我们在这些时候都与万有引力的发现者牛顿相遇了。生活在处处有物理,只要你仔细思考就会发现哦!
本文来源:知识就是力量公众号
工作动态