Светът на физиката С Исак Нютон на влакче в увеселителен парк
Ирена Кампа 22.03.2012
Всеки, който се вози на влакче в увеселителен парк, може да усети колко големи са силите, които работят. Защото само те правят възможна специалната тръпка от бързи спускания и бримки. Те също така гарантират, че пътниците в последната кола често се радват на най-„приповдигнатото“ изживяване с влакче в увеселителен парк.
Класическото пътуване с влакчета започва с изваждането на колата до първия хълм, хълма на лифта, с помощта на верижно задвижване. Оттам нататък той продължава пътуването си самостоятелно. Тъй като влаковете с влакче в увеселителен парк обикновено нямат собствено задвижване (изключението е доста рядко срещаните влакчета с влак). Енергията, която автомобилът има поради височината си над земята, се нарича позиционна енергия или потенциална енергия и това трябва да е достатъчно за цялото пътуване. Енергията, която влиза в движението на автомобила, т.е. кинетичната енергия, все още е много ниска на хълма на лифта. Но това се променя внезапно, когато колата стигне до първия изход. Докато се състезава към земята, потенциалната му енергия се превръща в кинетична енергия - автомобилът губи височина, но увеличава скоростта си. Кинетичната енергия е най-голяма, а потенциалната енергия е най-ниска в долината. След това колата се качва на следващия хълм и формата на енергия се променя от кинетична обратно към потенциална.
Тази игра на трансформация продължава цялото пътуване с влакчета, при което сумата от двете енергии винаги остава постоянна. Ако част от първоначалната енергия не се превърне в топлина чрез триене, пътуването с влакче в увеселителен парк може да продължи вечно.
Гравитация и ускорение в седалката на влакче в увеселителен парк
Развлекателните паркове продължават да поставят нови рекорди за скорост, но само скоростта не говори много за удоволствието от шофирането. Това, което прави пътуването вълнуващо, са ускоренията, които влияят на тялото. Физикът говори за ускорение не само когато скоростта се увеличава, но също така и когато забавя или променя посоката на движение, т.е. когато завива, хълмове или долини. Ускоренията се причиняват от различни сили. При спускане гравитационната сила ускорява автомобила. По време на шофиране ускорението на автомобила може да бъде също толкова голямо, колкото ускорението на тялото при свободно падане към центъра на земята. По този начин гравитационната сила се балансира. Не можем да почувстваме собственото си тегло и да се чувстваме безтегловни за кратко.
Ако автомобилът кара през долина или крива, посоката на движение се насочва от релсите към дъгообразна пътека. В резултат на това пътникът усеща сила, която го тласка надолу в долината или навън в завоите. Тази сила се нарича центробежна сила и е по-голяма, колкото по-висока е скоростта и толкова по-силна е кривината. В басейна центробежната сила и гравитацията работят в една и съща посока. Пътникът се чувства значително по-тежък от обикновено.
Влакче в увеселителен парк тип "Дива мишка"
Ако автомобилът се движи над върха на хълм, центробежната сила действа в обратна посока. Ако скоростта е достатъчно висока, радиалното ускорение далеч от седалката, което се причинява от центробежната сила, може дори да бъде по-голямо от ускорението поради гравитацията. Пътникът се повдига на седалката и се държи в колата само за скобата. В този случай ентусиастът на влакче в увеселителен парк говори за отрицателното g или "ефирно време".
Центробежните сили се появяват всеки път, когато завиете зад ъгъла. За да се смекчат ефектите им, релсите често са наклонени, така че пътникът да не се ускорява встрани, а към пода на колата. По-малките влакчета от тип „дива мишка“, които често могат да бъдат намерени на годишни панаири, са изключение. Те имат голям брой много плътни криви без наклон на релсата. Посетителите тук имат чувството, че колата е на път да слезе от релсите.
Кола на линия
Центробежната сила е от решаващо значение и за друг грандиозен елемент на влакче в увеселителен парк: примката. С бримка колата преминава през 360-градусова верига и е обърната за кратко време. Дори и днес има влакчета с влакчета, където посетителите се осигуряват само от обикновен бар. Това е възможно само защото центробежната сила в най-високата точка на контура е поне толкова голяма, колкото теглото. След това действа като „изкуствена гравитация“, която задържа пътника в колата.
Правилният избор на място
С всички тези познания за формите на енергия и сили, вече можем да проучим обяснението на явление, което може да се наблюдава в много увеселителни паркове: Защо опашките за първото и последното място са най-дълги, когато целият влак винаги се движи с еднаква скорост? Обяснението за предните седалки е просто: пътникът усеща по-силно вятъра и има безпрепятствена гледка към релсите пред себе си. Само поради тази причина пътуването му се струва по-бързо. Други ефекти обаче са важни за задните седалки.
Досега винаги сме разглеждали една кола в нашите съображения, за която сме приели, че е толкова малка, че размерът й няма значение. На влакче в увеселителен парк обаче много често има дълги влакове, които се състоят от няколко вагона. Автомобилите упражняват допълнителни сили една върху друга. Можете да се бутате един друг или да дърпате други зад себе си. Разбира се, всички вагони във влака имат една и съща скорост по всяко време, тъй като са здраво свързани помежду си. Скоростта, която една кола има в определен момент от пистата, обаче може да се различава от тази на друга кола, когато е била на същото място.
Избор на място в влакчето с влакчета
Да приемем, че влакът ни с влакчета с влакчета се състои от пет вагона. В момента той е на хълма на лифта и бавно се придвижва към спускането поради лекия наклон на релсите. Първата кола кара спокойно над върха на хълма. Тогава теглото на първата кола ускорява целия влак. С всяка кола, която пресича върха на хълма, ефективната сила се увеличава. Когато последната кола е на върха, влакът с влакче в увеселителен парк вече е достигнал висока скорост. По-голямо ускорение действа върху пътника на този автомобил, отколкото върху пътниците в предната кола, тъй като центробежното ускорение се увеличава с квадрата на скоростта. Така той усеща желаното ефирно време при първото и най-високото спускане по-интензивно от останалите.
Целият влак продължава да увеличава скоростта си, докато средният вагон не се удари в дъното на долината. В този момент две коли вече се изкачват, а две все още се спускат. Силите на тежестта отзад, които ускоряват влака, и тези отпред, които спират влака, се отменят взаимно, при условие че влакът е еднакво натоварен. Средната кола се движи през долината с най-висока скорост, поради което върху нея действат най-силните положителни g-сили. След това влакът се забавя, докато средата на влака не премине следващия хълм и играта започва отначало. Така че средните коли са най-бавни на хълмове и най-бързи в долините, така че те са по-малко популярни сред ездачите на влакчета с влакчета, отколкото външните автомобили.
Правилото, че возенето в задната кола е по-вълнуващо от средното, важи особено за влакчетата с дълги влакове и много елементи за ефирно време. По маршрути с много инверсии, т.е. надземни елементи, други курсове биха могли да обещаят повече забавление. Ако автомобилите имат повече от две места на ред, има забележими разлики дори тук. Пътниците на външните седалки, например, шофират на по-големи разстояния едновременно с тези в центъра и следователно са обект на по-високи ускорения.
Как влакчетата се забавят - и понякога излитат
След толкова много класическа механика, сега малко за модерната технология на влакчетата с влакчета. Влаковете с влакче в увеселителен парк могат да тежат няколко тона и да достигат скорост над 120 километра в час. Нормалните спирачки, които работят на принципа на триене, са подложени на изключително високи нива на износване, когато са изпълнени такива изисквания. Но има и безконтактни спирачни технологии, които работят на принципа на електромагнитната индукция.
Първоначално тези вихрови спирачки са били използвани в свободно падащи кули. Тук гондола с пътниците бавно се изтегля на голяма височина. Веднъж в горната част, тя се освобождава и след това пада напълно свободно. Към гондолата са прикрепени силни постоянни магнити, а в долната част на кулата има спирачни лопатки, направени от проводящ материал. Когато гондолата влезе в тази област, магнитите индуцират вихрови токове в проводниците. Тези токове отново образуват магнитно поле, което е противоположно на каузалното магнитно поле (правилото за индукция на Ленц). След това гондолата се спира. Колкото по-бързо се движат проводникът и магнитното поле един срещу друг, толкова по-силно е спирачното усилие.
Жизненоважна полза от тези спирачки е, че те работят перфектно дори в случай на прекъсване на електрозахранването. Вихротокови спирачки също се използват при влакчета с влакчета от 90-те години на миналия век. Магнитите обикновено са на релсата, а спирачните лопатки на автомобила. Въпреки това, нормалните триещи спирачки все още са от съществено значение, тъй като магнитните спирачки работят само когато има относително движение между магнита и проводника, т.е.не могат да доведат влака до пълно спиране или да го задържат на наклон.
Най-бързото влакче в увеселителен парк в света
Правилото за индукция на Lenz се използва и в съвременните задвижващи системи. В допълнение към верижния асансьор, има възможност да се даде на влака достатъчно енергия за пътуване с катапултен старт. Този тип писта се използва от средата на 90-те години и въвеждането на LIM (линеен асинхронен двигател) в конструкцията на влакче в увеселителен парк. Американските влакчета могат да се ускорят почти от изправено положение на хоризонтална писта. Принципът на LIM следва този на двигател с променлив ток, с изключение на това, че тук се генерира линейно вместо въртящо се движение.
С прости думи, бобините са прикрепени към релсите, към които се прилага променлив ток. Това създава вълнообразно „пътуващо поле“, което се движи по релсите. Стълбищни мечове са прикрепени към вагоните с влакчета, в които магнитното поле индуцира вихрови токове. Създава се противоположно поле. Отблъскващият ефект и на двете магнитни полета се използва по такъв начин, че магнитното поле на автомобила да се изтегли от пътуващото поле. За да може това да работи изобщо, се изисква сложна технология за електрическо управление и измерване на положението на количките с точност до милиметър. В допълнение, за кратко време се изискват огромни количества енергия, което може да подложи на изпитание електрическата мрежа на увеселителен парк. Така че има много предизвикателства, които трябва да се преодолеят, но усещането за шофиране, когато автомобил с тегло тонове се ускорява до около сто километра в час за няколко секунди, си струва усилието за много увеселителни паркове.
Рекордите за скорост обаче не могат да бъдат постигнати с тази система. Това би изисквало много големи количества енергия да бъдат предоставени за много кратко време, с което захранването на парка не би могло да се справи. В момента най-бързото влакче в света, "Формула Роса" в Дубай, ускорява до 240 километра в час за 4,9 секунди. За това е отговорно хидравлично задвижване, при което количеството енергия се компресира за по-дълъг период от време и след това внезапно се освобождава в началото.
Ускорение и g-сили
Според втория закон на Нютон ускорението на едно тяло може да се изчисли от съотношението на силата, действаща върху него, към неговата маса F = m · a. Ето защо термините сила и ускорение често се използват синонимно. Ускорението поради гравитацията в нашите географски ширини има стойност g = 9,81 m/s.
За да си представим по-добре силата, която причинява ускорение, тя се дава като кратно на ускорението поради гравитацията. Тогава човек говори донякъде подвеждащо за g-силите. При "сила" от 3g, три пъти теглото му действа върху тялото. Ускоренията до 6 g могат да се появят за кратко във влакчетата. Ускоренията, които са твърде силни или продължават твърде дълго, могат да изтласкат кръвта от мозъка в краката, причинявайки затъмнение. Тялото не може да се справи толкова добре с страничните ускорения, поради което те са законово ограничени до максимум 2g.
Отрицателните g-сили предизвикват познатото изтръпване в стомаха на пътниците. Тъй като тялото ни не е твърда, твърда структура, а се състои от много органи, които са относително свободно „окачени“. Ако гравитационното ускорение очевидно е отменено, органите вече не се притискат един друг, но всеки орган се движи в свободно падане, така да се каже. В допълнение към изтръпването това може да доведе до гадене при някои пътници.
Центробежна сила и центростремителна сила
Понятието центробежна сила е известно в ежедневието за силата, която действа при завиване. Физикът често говори за центростремителната сила. И двете сили са равни по големина, но действат в различна посока. Те описват едно и също явление, като единствената разлика е в гледната точка на наблюдателя. Центростремителната сила е силата, която принуждава тялото по извита пътека. Релсите са отговорни за това на влакчетата. Наблюдател, застанал пред влакчето с влакче, може да види как автомобилите се насочват към тяхната писта.
Центробежната сила, от друга страна, е така наречената привидна сила, която се появява в ускорени референтни рамки. Пътникът на влакчето има чувството, че сила го изтласква навън в кривата. Това, което той чувства, е инерцията на тялото му по отношение на промяната на посоката. Тъй като центробежната сила е по-съобразена с действителния опит с влакчетата в увеселителен парк, този термин ще бъде използван в статията.