向過山車請(qǐng)教科學(xué)問題

問題1：過山車究竟是什么車？

乍一看，過山車很像是普通的小火車，車廂一節(jié)連著一節(jié)，車上坐著游客，在固定的軌道上運(yùn)行。但實(shí)際上，與火車最大的不同在于，過山車本身并沒有動(dòng)力來源。

我們平常所說的過山車，是特指游客乘坐的小列車，實(shí)際上，整個(gè)過山車的組成部分還應(yīng)該包括——滑行軌道、立柱、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、站臺(tái)、電氣系統(tǒng)等。每一部過山車從站臺(tái)出發(fā)后，都會(huì)先進(jìn)入一段上坡，這段上升軌道里的機(jī)械裝置會(huì)將小列車推上最高點(diǎn)，但之后，就再也沒有外力為它提供動(dòng)力了。它只能依靠自己的重力勢(shì)能變成動(dòng)能及慣性使自己前進(jìn)。

另外，與火車明顯不同的，還有過山車的輪子。

大家都見過火車的車輪，那是一個(gè)巨大的圓盤，圓盤的側(cè)面一圈都是凹進(jìn)去的，牢牢壓住下方的鐵軌。而過山車需要在空中進(jìn)行盤旋、倒轉(zhuǎn)等動(dòng)作，它的輪子就必須特別一點(diǎn)了。

目前世界上的過山車可以分為兩大類。第一類是木制過山車，它出現(xiàn)得比較早，軌道和車輪近似于火車，特別之處在于，車輪的下方還配備了另外一組輪子，用來在軌道的下方滾動(dòng)，防止車廂被甩到空中。第二類是鋼管過山車，從20世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)。它的軌道是空心的無縫鋼管，它的車輪有三組，除了傳統(tǒng)的一組安置在軌道正上方外，還有其他一些車輪，分別運(yùn)行于軌道的底部和側(cè)面。這種設(shè)計(jì)使車廂能夠穩(wěn)固地卡在軌道上，這在列車穿過軌道的盤旋和彎道階段時(shí)極為重要。

問題2：過山車是如何開動(dòng)的？

過山車沒有動(dòng)力來源，又如何帶著游客完成那些刺激的冒險(xiǎn)旅程呢？讓我們從頭到尾來觀察一下過山車的運(yùn)行全過程。

首先，游樂場(chǎng)的工作人員會(huì)按下一個(gè)按鈕，閘打開了，原本安靜呆在站臺(tái)里的過山車開始緩緩向前移動(dòng)。很快過山車就來到了上坡的地方，牽引系統(tǒng)出現(xiàn)了。

目前，大多數(shù)過山車的牽引系統(tǒng)都是鏈條式的，鏈條安裝在軌道的下面，并沿坡道向上延伸，固定成一個(gè)環(huán)形，跟我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降姆鎏蓊愃啤?/p>

這個(gè)環(huán)形的兩側(cè)，即坡道的底部和頂端，各有一個(gè)傳動(dòng)裝置，由電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條，使其像一個(gè)傳送帶那樣持續(xù)不斷向坡頂移動(dòng)。等過山車到達(dá)的時(shí)候，車廂下面的鎖簧會(huì)自動(dòng)鉤住鏈條的鏈節(jié)，鏈條就會(huì)拉著列車向坡頂行進(jìn)。等到達(dá)最高處，鎖簧會(huì)自動(dòng)松開，這時(shí)候，過山車就只能“靠自己”了。

有上坡，自然就得下坡。通常在經(jīng)過初期的爬升階段后，游客們會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)自己接下來要面對(duì)一段非常長(zhǎng)的陡峭下坡。這時(shí)，過山車沒有選擇，它只能在重力的作用下迅速向地面俯沖。

事實(shí)上，過山車在接下來的行駛中唯一能借助的就只有“重力勢(shì)能”了。而這個(gè)重力勢(shì)能是由前面?zhèn)鲃?dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)給的，這個(gè)能量經(jīng)過精確計(jì)算，足夠完成下面的大回環(huán)運(yùn)動(dòng)。什么是重力勢(shì)能？即物體因其所處位置而擁有的能量，它是由于物體和地球的引力相互作用而產(chǎn)生的。以騎自行車為例，你辛苦騎上坡（對(duì)車做功），下坡的時(shí)候就可以不用踩，自行車自己就會(huì)沖下去。你爬的坡越高（做的功越多），自行車就能沖得越遠(yuǎn)。

問題3：過山車為什么不會(huì)掉下來？

對(duì)過山車來說，它的勢(shì)能在被拖到第一個(gè)上坡的頂端時(shí)達(dá)到了最大值。當(dāng)它開始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的勢(shì)能就不斷地轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，也就是運(yùn)動(dòng)的能量，使過山車能夠繼續(xù)前進(jìn)。

在前進(jìn)的過程中，大多數(shù)過山車都會(huì)遇到一個(gè)難題，那就是豎直大回環(huán)，即軌道前方出現(xiàn)了一個(gè)大圓圈。這意味著，游客們會(huì)沿著軌道，仰面朝上沖進(jìn)回環(huán)，并且在最高處的時(shí)候，完全呈現(xiàn)頭朝下的狀態(tài)。有些過山車愛好者最喜歡的就是這個(gè)時(shí)候，因?yàn)樵诙潭處酌腌姷臅r(shí)間里，由于處在失重狀態(tài)，你會(huì)感到輕如羽毛，眼中看到的是—個(gè)倒過來的世界。

大回環(huán)實(shí)際上就是一個(gè)離心機(jī)裝置，在回環(huán)里，游客受到的合力不斷變化：在回環(huán)的底部，離心力方向與重力一致，此時(shí)游客感覺到身體特別沉重（即超重狀態(tài)）。當(dāng)一路沖上回環(huán)時(shí)，游客會(huì)感到離心力將自己向座位方向擠壓。到了回環(huán)頂部，游客完全倒了過來，重力想把游客拽下去，但此時(shí)離心力比重力更大，且方向直指天空，把游客按在了座位上。此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)短暫的失重現(xiàn)象，但是從理論上來說，只要達(dá)到了一定的速度，就算沒有安全護(hù)具，游客也百分百不會(huì)掉下來。當(dāng)然，出于安全考慮，最好還是做足防護(hù)措施。

根據(jù)能量守恒原理，如果不考慮空氣的阻力和軌道的摩擦力，那么，運(yùn)動(dòng)中的過山車，無論處在何處，它具有的勢(shì)能和動(dòng)能之和，都應(yīng)該等于它在第一個(gè)坡頂時(shí)的勢(shì)能。而玩過過山車的朋友如果注意觀察，一定會(huì)發(fā)現(xiàn)，過山車所有運(yùn)動(dòng)軌跡中，第一個(gè)坡頂最高，它比大回環(huán)的最高處要高許多。這意味著，過山車在第一個(gè)坡頂積蓄的勢(shì)能要比它在大回環(huán)最高處的勢(shì)能大得多。因此，在勢(shì)能一動(dòng)能的轉(zhuǎn)化中，會(huì)有足夠的動(dòng)能保證過山車以一定速度安全通過大回環(huán)的最高點(diǎn)，而不會(huì)掉下來。

問題4：過山車的最佳座位在哪里？

據(jù)說，坐在過山車的不同車廂里，游客會(huì)收獲不同的體驗(yàn)，這是真的嗎？

我們知道，過山車的所有車廂都是在相同軌道上運(yùn)行的，因此重力會(huì)在大體相同的點(diǎn)使其產(chǎn)生加速和減速。但除了受到重力的作用外，每個(gè)車廂還受到與其相連的車廂的推力和拉力作用。正是這個(gè)附加力導(dǎo)致了過山車每節(jié)車廂給人的感覺略有不同。

為了理解其原理，讓我們假定過山車到達(dá)了軌道的頂部。當(dāng)?shù)谝还?jié)車廂越過頂點(diǎn)后，重力開始將其沿軌道的下坡向下拉，導(dǎo)致第一節(jié)車廂開始加速，這將帶動(dòng)第二節(jié)車廂加速，進(jìn)而帶動(dòng)第三節(jié)車廂加速，以此類推。當(dāng)最后一節(jié)車廂移過頂點(diǎn)時(shí)，重力使第一節(jié)車廂加速已有一段時(shí)間。

尾部的車廂到達(dá)頂部時(shí)的加速度要比第一節(jié)車廂大，而這個(gè)增加的力實(shí)際上將車廂推過頂點(diǎn)，并突然作用在游客身上，讓游客感覺自己幾乎要從座位上飛出去。因此，對(duì)于許多人而言，尾部的最后一節(jié)車廂，是在乘坐過山車時(shí)的最佳位置。

但在大多數(shù)過山車中，從尾部車廂并不能很好地看到軌道，因?yàn)橐暰€被前面的人擋住了。

乘坐過山車時(shí)，良好的視線非常重要，這會(huì)讓您感受到速度和危險(xiǎn)——過山車設(shè)計(jì)者刻意在軌道附近放置各種障礙物，讓人感覺到過山車似乎就要失去控制。在典型的過山車設(shè)計(jì)中，前面車廂的游客可以無障礙地看到所有這些障礙物從身邊閃過。

因此，過山車上的最佳位置取決于個(gè)人愛好。如果您喜歡失重的感覺，則可以選擇尾部的位置。如果想獲得最佳的視野，則可以選擇前部的位置。中部車廂的乘坐體驗(yàn)最一般，但仍然能有不錯(cuò)的感覺。實(shí)際上，只要坐上過山車，你都會(huì)有很棒的感覺。