過(guò)山車(chē)?yán)锏奈锢砻孛?/h1>
2015-06-01 22:28:55樹(shù)環(huán)
初中生學(xué)習(xí)·高 2015年1期
樹(shù)環(huán)
過(guò)山車(chē)是一項(xiàng)富有刺激性的娛樂(lè)形式。那種風(fēng)馳電掣、有驚無(wú)險(xiǎn)的快感令不少人著迷。如果你對(duì)物理學(xué)感興趣，那么在乘坐過(guò)山車(chē)的過(guò)程中不僅能夠體驗(yàn)到冒險(xiǎn)的快感，還有助于理解力學(xué)定律。
實(shí)際上，過(guò)山車(chē)的運(yùn)動(dòng)包含了許多物理學(xué)原理，人們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)山車(chē)時(shí)巧妙地運(yùn)用了這些原理。如果能親身體驗(yàn)一下由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺(jué)真是妙不可言。
這次同物理學(xué)打交道不用動(dòng)腦子，只要收緊你的腹肌，保護(hù)好腸胃就行了。當(dāng)然，如果你的身體條件和心理承受能力有限，無(wú)法親身體驗(yàn)過(guò)山車(chē)帶來(lái)的種種感受，那就不妨站在一旁仔細(xì)觀察過(guò)山車(chē)的運(yùn)動(dòng)和乘坐者的反應(yīng)。
開(kāi)始時(shí)，過(guò)山車(chē)的小列車(chē)是靠一個(gè)機(jī)械裝置的推力推上最高點(diǎn)的，但在第一次下行后，就再也沒(méi)有任何裝置為它提供動(dòng)力了。事實(shí)上，從這時(shí)起，帶動(dòng)它沿著軌道行駛的唯一“發(fā)動(dòng)機(jī)”就是引力勢(shì)能，即由引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、又由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為引力勢(shì)能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過(guò)程。
第一種能，即引力勢(shì)能，是物體因其所處位置而自身?yè)碛械哪芰浚怯伤母叨群陀梢Ξa(chǎn)生的加速度而來(lái)的。對(duì)過(guò)山車(chē)來(lái)說(shuō)，它的勢(shì)能在處于最高點(diǎn)時(shí)達(dá)到了最大值，也就是當(dāng)過(guò)山車(chē)爬升到“山丘”的頂峰時(shí)勢(shì)能最大。當(dāng)過(guò)山車(chē)開(kāi)始下降時(shí)，它的勢(shì)能就不斷地減少（因?yàn)楦叨认陆盗耍⒉粫?huì)消失，而是轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，也就是運(yùn)動(dòng)能。
不過(guò)，在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由于過(guò)山車(chē)的車(chē)輪與軌道的摩擦產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機(jī)械能（動(dòng)能和勢(shì)能）。這就是為什么要設(shè)計(jì)成隨后的小山丘比開(kāi)始時(shí)的小山丘要低一些的原因：過(guò)山車(chē)已經(jīng)沒(méi)有上升到像前一個(gè)小山丘那種高度所需要的機(jī)械能了。
過(guò)山車(chē)最后一節(jié)小車(chē)廂里裝有過(guò)山車(chē)贈(zèng)送給勇敢的乘客最為刺激的禮物。因?yàn)椋陆档母惺茉谶^(guò)山車(chē)的尾部車(chē)廂最為強(qiáng)烈。最后一節(jié)車(chē)廂通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)的速度比過(guò)山車(chē)頭部的車(chē)廂要快，這是引力作用于過(guò)山車(chē)中部的質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節(jié)車(chē)廂的人就能快速地達(dá)到和跨越最高點(diǎn)，從而產(chǎn)生一種要被拋離的感覺(jué)。尾部車(chē)廂的車(chē)輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達(dá)頂峰附近時(shí)，小車(chē)廂就可能脫軌被甩出去。車(chē)頭部的車(chē)廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時(shí)間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是要等待質(zhì)量中心越過(guò)最高點(diǎn)后被引力推動(dòng)。
到達(dá)“瘋狂之圈”時(shí)，沿直線軌道行進(jìn)的過(guò)山車(chē)突然向上轉(zhuǎn)彎。這時(shí)，乘客就會(huì)有一種被擠壓到軌道上的感覺(jué)，因?yàn)檫@時(shí)產(chǎn)生了一種離心力。事實(shí)上，在環(huán)形軌道上，鐵軌與過(guò)山車(chē)的相互作用產(chǎn)生了一種向心力。這種環(huán)形軌道是略帶橢圓形的，目的是為了“平衡”引力的制動(dòng)效應(yīng)。當(dāng)過(guò)山車(chē)達(dá)到圓形軌道的最高點(diǎn)時(shí)，它會(huì)慢下來(lái)，如果彎曲的程度較小，這種現(xiàn)象會(huì)減弱。一旦過(guò)山車(chē)走完了它的行程，機(jī)械制動(dòng)裝置就會(huì)非常安全地使過(guò)山車(chē)停下來(lái)。減速的快慢則是由氣缸來(lái)控制的。endprint
樹(shù)環(huán)
過(guò)山車(chē)是一項(xiàng)富有刺激性的娛樂(lè)形式。那種風(fēng)馳電掣、有驚無(wú)險(xiǎn)的快感令不少人著迷。如果你對(duì)物理學(xué)感興趣，那么在乘坐過(guò)山車(chē)的過(guò)程中不僅能夠體驗(yàn)到冒險(xiǎn)的快感，還有助于理解力學(xué)定律。
實(shí)際上，過(guò)山車(chē)的運(yùn)動(dòng)包含了許多物理學(xué)原理，人們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)山車(chē)時(shí)巧妙地運(yùn)用了這些原理。如果能親身體驗(yàn)一下由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺(jué)真是妙不可言。
這次同物理學(xué)打交道不用動(dòng)腦子，只要收緊你的腹肌，保護(hù)好腸胃就行了。當(dāng)然，如果你的身體條件和心理承受能力有限，無(wú)法親身體驗(yàn)過(guò)山車(chē)帶來(lái)的種種感受，那就不妨站在一旁仔細(xì)觀察過(guò)山車(chē)的運(yùn)動(dòng)和乘坐者的反應(yīng)。
開(kāi)始時(shí)，過(guò)山車(chē)的小列車(chē)是靠一個(gè)機(jī)械裝置的推力推上最高點(diǎn)的，但在第一次下行后，就再也沒(méi)有任何裝置為它提供動(dòng)力了。事實(shí)上，從這時(shí)起，帶動(dòng)它沿著軌道行駛的唯一“發(fā)動(dòng)機(jī)”就是引力勢(shì)能，即由引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、又由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為引力勢(shì)能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過(guò)程。
第一種能，即引力勢(shì)能，是物體因其所處位置而自身?yè)碛械哪芰浚怯伤母叨群陀梢Ξa(chǎn)生的加速度而來(lái)的。對(duì)過(guò)山車(chē)來(lái)說(shuō)，它的勢(shì)能在處于最高點(diǎn)時(shí)達(dá)到了最大值，也就是當(dāng)過(guò)山車(chē)爬升到“山丘”的頂峰時(shí)勢(shì)能最大。當(dāng)過(guò)山車(chē)開(kāi)始下降時(shí)，它的勢(shì)能就不斷地減少（因?yàn)楦叨认陆盗耍⒉粫?huì)消失，而是轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，也就是運(yùn)動(dòng)能。
不過(guò)，在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由于過(guò)山車(chē)的車(chē)輪與軌道的摩擦產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機(jī)械能（動(dòng)能和勢(shì)能）。這就是為什么要設(shè)計(jì)成隨后的小山丘比開(kāi)始時(shí)的小山丘要低一些的原因：過(guò)山車(chē)已經(jīng)沒(méi)有上升到像前一個(gè)小山丘那種高度所需要的機(jī)械能了。
過(guò)山車(chē)最后一節(jié)小車(chē)廂里裝有過(guò)山車(chē)贈(zèng)送給勇敢的乘客最為刺激的禮物。因?yàn)椋陆档母惺茉谶^(guò)山車(chē)的尾部車(chē)廂最為強(qiáng)烈。最后一節(jié)車(chē)廂通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)的速度比過(guò)山車(chē)頭部的車(chē)廂要快，這是引力作用于過(guò)山車(chē)中部的質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節(jié)車(chē)廂的人就能快速地達(dá)到和跨越最高點(diǎn)，從而產(chǎn)生一種要被拋離的感覺(jué)。尾部車(chē)廂的車(chē)輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達(dá)頂峰附近時(shí)，小車(chē)廂就可能脫軌被甩出去。車(chē)頭部的車(chē)廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時(shí)間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是要等待質(zhì)量中心越過(guò)最高點(diǎn)后被引力推動(dòng)。
到達(dá)“瘋狂之圈”時(shí)，沿直線軌道行進(jìn)的過(guò)山車(chē)突然向上轉(zhuǎn)彎。這時(shí)，乘客就會(huì)有一種被擠壓到軌道上的感覺(jué)，因?yàn)檫@時(shí)產(chǎn)生了一種離心力。事實(shí)上，在環(huán)形軌道上，鐵軌與過(guò)山車(chē)的相互作用產(chǎn)生了一種向心力。這種環(huán)形軌道是略帶橢圓形的，目的是為了“平衡”引力的制動(dòng)效應(yīng)。當(dāng)過(guò)山車(chē)達(dá)到圓形軌道的最高點(diǎn)時(shí)，它會(huì)慢下來(lái)，如果彎曲的程度較小，這種現(xiàn)象會(huì)減弱。一旦過(guò)山車(chē)走完了它的行程，機(jī)械制動(dòng)裝置就會(huì)非常安全地使過(guò)山車(chē)停下來(lái)。減速的快慢則是由氣缸來(lái)控制的。endprint
