過山車中有學問

丁　一

同學們，你坐過過山車嗎?那種風馳電掣、有驚無險的快感令不少人著迷。如果你對物理學感興趣，那么在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學定律。

實際上，過山車的運動包含了許多物理學原理，人們在設計過山車時便巧妙地運用了這些原理。如果能親身體驗一下由能量守恒、加速度和力結合在一起產生的效果，那感覺真是妙不可言。這次同物理學打交道不用動腦子，只要收緊你的腹肌，保護好腸胃就行了，當然，如果受你的身體條件和心理承受能力的限制，無法親身體驗過山車帶來的種種感受，你不妨站在一旁仔細觀察過山車的運動和乘坐者的反應。

在開始旅行時，過山車的小列車是靠一個機械裝置的推力推上最高點的，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動力了。因此，從這時起，帶動它沿著軌道行駛的“發動機”將是引力勢能，即由引力勢能轉化為動能。又由動能轉化為引力勢能這樣一個不斷轉化的過程構成的。

引力勢能是物體因其所處位置而自身擁有的能量，是由于它的高度和由引力產生的加速度而來的。對過山車來說，它的勢能在處于最高點時達到了最大值，也就是當它爬升到“山丘”的頂峰時最大。當過山車開始下降時，它的勢能就不斷減少(因為高度下降了)，但它不會消失，而是轉化成了動能。不過，在能量的轉化過程中。由于過山車的車輪與軌道的摩擦而產生了熱量，從而損耗了少量的機械能(動能和勢能)。這就是為什么要設計成隨后的小山丘比開始時的小山丘要低的原因，過山車已經沒有上升到像前一個小山丘那樣的高度所需要的機械能了。

過山車最后一節車廂是過山車贈送給勇敢的乘客最為刺激的禮物，因為下降的感受在過山車的尾部車廂最為強烈，最后一節車廂通過最高點時的速度比過山車頭部的車廂要快，這是由于引力作用于過山車中部的質量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節車廂的人就能快速達到和跨越最高點，從而產生一種要被拋離的感覺，尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達頂峰附近時，小車廂就可能脫軌甩出去。車頭部的車廂情況就不同了，它的質量中心在“身后”，在短時間內，它雖然處在下降的狀態，但是它要“等待”質量中心越過高點被引力推動。

到達“瘋狂之圈”時，沿直線軌道行進的過山車突然向上轉彎。這時，乘客就會有一種被擠壓到軌道上的感覺，因為這時產生了離心力。事實上，這是在環形軌道上由于鐵軌與過山車相互作用產生的一種向心力。這種環形軌道是橢圓形的，目的是為了“平衡”引力的制動效應。當過山車達到圓形軌道的最高點時，它會慢下來，但如果彎曲的程度較小時，這種現象就會減弱。一旦過山車走完了它的行程，機械制動裝置就會非常安全地使過山車停下來。