Американські гірки - це чудові об'єкти для вивчення фізики, особливо законів механіки.

Збереження енергії

Спочатку вагон, який не має власної тяги, тягнеться до найвищої частини американських гірок. Це відділення від Землі призводить до збільшення гравітаційна потенційна енергія вагона. Після випуску універсал поступово спускається, збільшуючи швидкість. В енергетичному плані це гравітаційна потенційна енергія перетворюється на Кінетична енергія, енергія, пов'язана з рухом тіл, за винятком незначної частини, яка перетворюється на гарячий через тертя, яке чинять повітря та колії. На висхідних ділянках трапляється навпаки, швидкість зменшується, коли вагон набирає висоту, збільшуючи тим самим гравітаційна потенційна енергія за рахунок Кінетична енергія. Невелика частина цього Кінетична енергія знову стає гарячий через тертя.

Швидкість, прискорення та сила

Одним з аспектів, який враховується при розробці американських гірок, є сили що вагон чинить на пасажирів. Ця сила не є постійною, але пов’язана зі зміною швидкості руху вагона, а отже і пасажирів по маршруту. Саме збільшення або зменшення цієї сили, порівняно із силою, що спостерігається у стані спокою або на постійній швидкості, робить катання на американських гірках привабливим для багатьох людей. Схід зміна швидкості з часом, яка може бути за своєю величиною або за напрямком, - це те, що називається прискорення.

На горизонтальних ділянках, не враховуючи тертя, швидкість не змінюється, тому немає прискорення. чиста сила що діє на людину дорівнює нулю. Сила, яку вагон чинить вгору на людину, дорівнює силі, яку робить Земля вниз, вазі людини.

У горизонтальних кривих ділянках, у негоризонтальних прямих ділянках та в негоризонтальних кривих є прискорення оскільки він змінює відповідно напрямок швидкості, величину швидкості або обидва. Чиста сила, що діє на вагон, пропорційна прискоренню і представлена ​​на малюнку в різних точках маршруту.

фізика
Чиста сила в різних секціях американських гірок

Петлі

Форма секцій, що утворюють американські гірки, різноманітна, і, як правило, існує секція з формою вертикальної петлі.

Коли об'єкт описує вигнутий рух, на нього може діяти кілька сил, але необхідно, щоб сума всіх їх була спрямована до внутрішньої частини кривої, яку він описує. Якщо ця чиста сила перпендикулярна кривій, швидкість лише змінює напрямок, інакше швидкість збільшується або зменшується за величиною, як видно на малюнку.

Чиста сила і зміна величини швидкості

Цю чисту силу можна розкласти на дві частини, одну перпендикулярну кривій, а іншу дотичну, таким чином, щоб складені разом вони дорівнювали першому.

Компоненти чистої сили та зміна величини швидкості

Викликається сила, перпендикулярна кривій доцентрова сила y прямо пропорційна масі рухомого об'єкта і квадрату величини швидкості і обернено пропорційна радіусу кривизни .

Зазвичай доцентрова сила частково здійснюється рейкою, по якій циркулює машина, а частково Землею.

Чому на американських гірках зазвичай немає кругових вертикальних петель?

Давайте попередньо відповімо на таке питання:

Яка мінімальна швидкість, з якою можна ввести кругову вертикальну петлю, щоб повністю описати її?

При в'їзді з мінімальною швидкістю доцентрова сила у верхній частині петлі також буде мінімальним. Щоб це сталося, рейка у верхній частині не повинна чинити зусилля на вагон, а доцентрова сила у верхній частині буде здійснюватися виключно Землею: вага вагона, мг. З цього факту ви можете визначити швидкість руху вагона в цей момент:

За допомогою збереження енергії швидкість визначається в точці входу в петлю. Кінетична енергія на вході частково перетворюється на гравітаційну потенційну енергію при досягненні найвищої точки.

Енергозбереження

враховуючи що і що

Якщо це вхідна швидкість, доцентрова сила на вході буде:

Як Земля робить силу зниження в цій точці, мг, так що доцентрова сила дорівнює 5мг рейка повинна докласти зусилля 6мг на вагоні.

Відчуття, яке це може створити у подорожнього, таке саме, як якщо б його вага помножилася на 6. Це також могло б статися через короткий проміжок часу, коли ви входите в цикл.

Швидка зміна сили, що діє на вагон

Клотоїд

Спіраль, яку також називають спіраллю Ейлера або спіраллю Корну, - це крива, що характеризується своєю кривизною, що змінюється лінійно, коли ми рухаємося по ній. Кривизна - це міра того, наскільки крива відрізняється від прямої, і визначається як обернена до радіуса кривизни .

Спіраль і цибуля

Цей спосіб зміни кривизни робить його придатним для вертикальних петель американських гірок, а також для зміни напрямку руху на дорогах. Під час руху по спіральній дузі кутова швидкість, з якою слід повертати кермо, є постійною.

Зміна напрямку за допомогою клотоїдного цибулі

Петлі на американських гірках зазвичай складаються з двох з'єднаних спіральних арок, як видно на малюнку.

У цьому типі петель доцентрове прискорення, крім того, що воно, як правило, нижче, ніж у кругових, змінюється набагато менше, із тим, що надмірне прискорення набагато нижче, і неприємні відчуття (не для всіх) також.