自制桌面過山車

段玉佩

要說游樂場(chǎng)中最受歡迎的游樂設(shè)施是什么？那一定是過山車了！它時(shí)而馳向天空，時(shí)而駛?cè)肷顪Y，承載著全車人的驚呼，翻著跟頭飛馳，風(fēng)馳電掣般地越過一個(gè)又一個(gè)轉(zhuǎn)彎，待到終于下了車，狂跳的心還要等好久才能重歸平靜。今天，我們就要借助科學(xué)的力量，來創(chuàng)造一輛“飛馳”在書桌上的過山車。

實(shí)驗(yàn)材料

硬質(zhì)彩紙、膠帶、剪刀、尺子、鉛筆、硬紙板、玻璃彈球

實(shí)驗(yàn)步驟

構(gòu)建直線軌道：用彩紙剪一條寬7.5厘米的長(zhǎng)方形紙帶，用鉛筆和尺子將它平均劃分為三個(gè)條帶，每條寬度為2.5厘米。將兩邊的條帶沿分界線向上折疊90度，形成墻壁。如此，一條筆直的過山車直線軌道就完成了。

構(gòu)建環(huán)形軌道或“迷你山丘”：和做直線軌道的第一個(gè)環(huán)節(jié)一樣，繪制兩條平行線，將其分成三條 2.5 厘米寬的條帶。再用剪刀將兩邊條帶剪成一條條寬度相等的小“鋸齒”，然后將每頁小片沿著分界線向上折疊成90度。再將軌道彎曲成你想要的弧度或者環(huán)形，借助同伴的幫忙用膠帶固定相鄰的小片，使其造型固定下來。

平彎軌道：平彎軌道與直線軌道和環(huán)形軌道都不一樣，它同時(shí)擁有直線軌道的水平特點(diǎn)和環(huán)形軌道的弧度特點(diǎn)。制作它的第一個(gè)環(huán)節(jié)依然不變，剪紙帶，平均劃分三個(gè)條帶（寬度2.5厘米）。接下來，用剪刀在紙帶的左、右其中一側(cè)剪成一頁一頁寬度相等的小片。再將剪的小片沿著分界線折成90度，進(jìn)行單側(cè)軌道平面彎曲，接下來用膠帶固定相鄰的小片，使其保持造型固定。完成后，三種軌道的制作方法就都介紹完了，你也可以根據(jù)自己的創(chuàng)意再制作相應(yīng)數(shù)量和長(zhǎng)度的軌道。

支撐柱：過山車從高處滑出離不開支撐柱的幫忙。我們需要剪兩條8厘米寬的紙帶，用鉛筆和尺子在每條紙帶上平均劃分出四個(gè)條帶，每條寬度為2厘米。在紙帶的頂端，用剪刀沿著直線剪出2.5厘米的長(zhǎng)條。將這兩條處理好的紙帶折疊成底面邊長(zhǎng)為2厘米的四棱柱，同時(shí)將剪開的四個(gè)2.5厘米長(zhǎng)條向外翻，以“十字形”將四棱柱支撐架粘貼固定在硬紙板上。

將制作好的各類型軌道組合好，首尾連接并確保軌道暢通。要確保從支撐架的起點(diǎn)開始到終點(diǎn)的過程中，軌道的走勢(shì)是依次下降的，這樣過山車才可以順利通過。軌道制作完成之后，用玻璃彈球測(cè)試一下過山車是否可以順暢地從軌道的起點(diǎn)走到終點(diǎn)？如果過程中有卡頓，可以將起始高度變高，這樣玻璃彈球就可以獲得更快的加速度，另外也可以將平彎軌道的弧度變小，便于節(jié)省能量損耗。

實(shí)驗(yàn)原理

過山車不同于汽車或者火車，它本身是沒有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的。不管你坐哪里的過山車，一定都會(huì)記得在過山車真正“飛奔”之前，總需要一個(gè)緩慢的爬升階段。到達(dá)高峰后，過山車就獲得了一種叫作重力勢(shì)能的能量，過山車到達(dá)的位置越高，其擁有的重力勢(shì)能也就越大。在過山車的“飛奔”過程中，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為飛奔的動(dòng)能，也有一部分能量在過山車與軌道和空氣的摩擦過程中轉(zhuǎn)化為熱能而消失。由于摩擦而損失動(dòng)能能量永遠(yuǎn)不會(huì)大于過山車的初始潛在能量總量。這意味著設(shè)計(jì)師必須確保過山車有足夠的初始潛在能量，使其通過軌道的其余部分。如果過山車不能完成一個(gè)完整的軌道，那就需要加高高度，使其有更多的動(dòng)力勢(shì)能在之后的過程中轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，但如果軌道太長(zhǎng)，摩擦最終也可能導(dǎo)致過山車中途停止。

實(shí)驗(yàn)升級(jí)

優(yōu)秀的工程師可以通過計(jì)算過山車攀爬的高度以及彈球的質(zhì)量等影響因素，計(jì)算出獲得的重力勢(shì)能和飛奔后轉(zhuǎn)化的動(dòng)能及消失的熱能。為了讓過山車達(dá)到最佳狀態(tài)，你將如何設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)、最安全，能量損失最小的過山車呢？

（責(zé)任編輯 / 陳天昊? ?美術(shù)編輯 / 胡美巖）