過山車中的能量轉化

姜桂祥

過山車啟動后是靠一個機械裝置推上最高點的.但到達最高點開始下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動力了，從這時起，帶動它沿著軌道行駛的唯一“發動機”將是重力勢能.過山車的運動過程是一種由重力勢能轉化為動能，又由動能轉化為重力勢能的過程.

對過山車來說，它的重力勢能在最高點時達到了最大值，也就是當它“爬”升到軌道的頂峰時重力勢能達到最大，當過山車開始下降時，它的重力勢能就不斷地減少（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（機械能轉化為內能），會損耗少量的機械能（動能和勢能）使過山車的機械能不斷減少，這就是為什么過山車的軌道要設計成隨后的“小山丘”（如圖1）比開始時的“小山丘”低的原因，

過山車最后一節車廂是留給最勇敢的乘客的.因為最后一節車廂通過最高點時的速度，比前面的車廂經過最高點時的速度要快，這是為什么呢？由于重力作用于過山車的重心處.坐在最后一節車廂的人能以較快的速度達到和跨越最高點，此時最后一節車廂的乘客會有一種要被拋離的感覺.不過，你放心好了，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，小車廂就可能脫軌被甩出去，過山車頭部的車廂情況就不同了，車的重心在它“身后”，在短時間內.它雖然處在下降的狀態，但由于要“等待”重心越過高點.因此過山車頭部車廂過高點的速度要比尾部車廂小.

到達“瘋狂之圈”（如圖2）時，沿直線軌道行進的過山車突然向上轉彎，這時，乘客會有一種被擠壓到軌道上的感覺，這是因為軌道通過車廂給人施加了一個力.這個力快速地改變著人的運動方向.這個力就是向心力.正是由于鐵軌與過山車相互作用產生了向心力.使過山車能順利做圓周運動.這種環形軌道是略帶橢圓形的，目的是為了“平衡”引力的制動效應.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.減速的快慢是由氣缸來控制的.endprint