Lumea fizicii Cu Isaac Newton pe roller coaster
Irena Kampa 22.03.2012
Oricine călare pe un roller coaster poate simți cât de mari sunt forțele care acționează. Pentru că numai ei fac posibilă emoția specială a coborârilor rapide și a buclelor. De asemenea, se asigură că ocupanții ultimei mașini se bucură adesea de cea mai „înălțătoare” experiență de roller coaster.
O plimbare clasică cu roller coaster-ul începe cu mașina trasă până la primul deal, dealul liftului, folosind o transmisie cu lanț. De atunci își continuă călătoria independent. Deoarece, în mod normal, trenurile cu role nu au propriile lor acțiuni (excepția fiind cele mai rare rare Coasted Coasters). Energia pe care o are mașina datorită înălțimii sale deasupra solului se numește energie de poziție sau energie potențială și aceasta trebuie să fie suficientă pentru întreaga călătorie. Energia care intră în mișcarea mașinii, adică energia cinetică, este încă foarte mică pe dealul liftului. Dar asta se schimbă brusc când mașina ajunge la prima ieșire. Pe măsură ce aleargă spre sol, energia sa potențială este convertită în energie cinetică - mașina pierde altitudine, dar crește viteza. Energia cinetică este cea mai mare, iar energia potențială este cea mai mică din vale. Apoi, mașina urcă pe dealul următor și forma energiei se schimbă de la revenirea cinetică la potențial.
Acest joc de transformare continuă întreaga plimbare cu roller-coaster, prin care suma celor două energii rămâne întotdeauna constantă. Dacă o parte din energia inițială nu ar fi convertită în căldură prin frecare, călătoria cu roller-roller-ul ar putea dura pentru totdeauna.
Gravitație și accelerație pe scaunul roller coaster
Parcurile de distracții continuă să stabilească noi recorduri de viteză, deși numai viteza spune puțin despre plăcerea de a conduce. Ceea ce face plimbarea interesantă sunt accelerațiile care afectează corpul. Fizicianul vorbește despre accelerație nu numai atunci când viteza crește, ci și atunci când încetinește sau schimbă direcția de mișcare, adică la viraje, dealuri sau văi. Accelerările sunt cauzate de diverse forțe. Într-o coborâre, forța gravitațională accelerează mașina. În timp ce conduceți, accelerația mașinii poate fi la fel de mare ca și accelerația unui corp în cădere liberă spre centrul pământului. În acest fel, forța gravitațională este echilibrată. Nu ne putem simți propria greutate și nu ne simțim lipsiți de greutate pentru o perioadă scurtă de timp.
Dacă mașina circulă printr-o vale sau o curbă, direcția de mișcare este ghidată de șinele pe o cale arcuită. Drept urmare, pasagerul simte o forță care îl împinge în vale sau în curbe. Această forță se numește forță centrifugă și este mai mare, cu cât viteza este mai mare și cu atât curbura este mai puternică. În bazin, forța centrifugă și gravitația funcționează în aceeași direcție. Pasagerul se simte mult mai greu decât de obicei.
Roller coaster tip "Mouse-ul sălbatic"
Dacă mașina circulă deasupra vârfului unui deal, forța centrifugă acționează în direcția opusă. Dacă viteza este suficient de mare, accelerația radială îndepărtată de scaun cauzată de forța centrifugă poate fi chiar mai mare decât accelerația datorată gravitației. Pasagerul este ridicat pe scaun și ținut în mașină doar de suport. În acest caz, pasionatul de roller coaster vorbește despre g negativ sau despre „timp de difuzare”.
Forțele centrifuge apar de fiecare dată când învârtiți un colț. Pentru a le atenua efectele, șinele sunt adesea înclinate, astfel încât pasagerul să nu fie accelerat în lateral, ci în podeaua mașinii. O rusă mai mică, de tipul „șoricelului sălbatic”, care se găsește adesea la târguri, face excepție. Au un număr mare de curbe foarte strânse, fără înclinare a șinei. Vizitatorii de aici au senzația că mașina este pe cale să deraieze.
Mașină în buclă
Forța centrifugă este, de asemenea, critică pentru un alt element spectaculos al unui roller coaster: ciclul. În buclă, mașina trece printr-o buclă de 360 de grade și este răsturnată pentru o perioadă scurtă de timp. Chiar și astăzi există roller-coastere în care vizitatorii sunt asigurați doar printr-o simplă bară de tură. Acest lucru este posibil doar deoarece forța centrifugă în cel mai înalt punct al buclei este cel puțin la fel de mare ca greutatea. Acționează apoi ca o „gravitație artificială” care ține pasagerul în mașină.
Alegerea corectă a locului
Cu toate aceste cunoștințe despre forme de energie și forțe, putem investiga acum explicația unui fenomen care se observă în multe parcuri de distracții: De ce cozile pentru primul și ultimul loc sunt cele mai lungi atunci când întregul tren circulă întotdeauna cu aceeași viteză? Explicația pentru scaunele din față este simplă: pasagerul simte vântul mai puternic și are o vedere neobstrucționată a șinelor din fața sa. Numai din acest motiv, călătoria i se pare mai rapidă. Cu toate acestea, alte efecte sunt importante pentru scaunele din spate.
Până acum, am considerat întotdeauna o singură mașină în considerațiile noastre, pe care le-am presupus a fi atât de mici încât dimensiunea sa nu a contat. Cu toate acestea, pe un roller coaster există foarte des trenuri lungi care constau din mai multe vagoane. Mașinile exercită forțe suplimentare una pe cealaltă. Vă puteți împinge unii pe alții sau îi puteți trage pe alții în spatele vostru. Desigur, toate vagoanele unui tren au aceeași viteză în orice moment, la urma urmei sunt bine conectate între ele. Viteza pe care o mașină o are într-un anumit punct al pistei poate, totuși, să difere de cea a unei alte mașini atunci când se afla în același loc.
Alegerea unui loc în roller coaster
Să presupunem că trenul nostru rusesc este format din cinci vagoane. În prezent se află pe dealul de ridicare și se îndreaptă încet spre coborâre din cauza ușoarei înclinații a șinelor. Prima mașină circulă pe îndelete peste vârful dealului. Apoi, greutatea primei mașini accelerează întregul tren. Cu fiecare mașină care traversează vârful dealului, forța efectivă crește. Când ultimul vagon se află în vârf, trenul cu role montane a atins deja o viteză mare. O accelerație mai mare acționează asupra pasagerului acestei mașini decât asupra ocupanților mașinii din față, deoarece accelerația centrifugă crește odată cu pătratul vitezei. Așa că simte timpul de transmisie dorit pe prima și cea mai înaltă coborâre mai intens decât celelalte.
Întregul tren continuă să crească în viteză până când vagonul din mijloc lovește fundul văii. În acest moment, două mașini sunt deja pe urcare și două sunt încă pe coborâre. Forțele de greutate din spate, care accelerează trenul, și cele din față, care frânează trenul, se anulează reciproc, cu condiția ca trenul să fie încărcat în mod egal. Mașina de mijloc călătorește prin vale la cea mai mare viteză, motiv pentru care acționează asupra ei cele mai puternice forțe g pozitive. Apoi, trenul încetinește până când mijlocul trenului a trecut pe dealul următor și jocul începe din nou. Mașinile de mijloc sunt cele mai lente pe dealuri și cele mai rapide în văi, așa că sunt mai puțin populare pentru călăreții de roller coaster decât mașinile exterioare.
Regula conform căreia călătoria cu mașina din spate este mai interesantă decât cea din mijloc se aplică în special montanților cu trenuri lungi și o mulțime de elemente de transmisie. Pe trasee cu multe inversiuni, adică elemente aeriene, alte cursuri ar putea promite mai multă distracție. Dacă mașinile au mai mult de două locuri pe rând, există diferențe vizibile chiar și aici. Pasagerii de pe scaunele exterioare, de exemplu, parcurg distanțe mai mari decât cei din centru în același timp cu cei din centru și, prin urmare, sunt supuși unor accelerații mai mari.
Cum încetinesc - și uneori decolează montanții cu role
După atâta mecanică clasică, să vorbim despre tehnologia modernă a roller-coasters. Trenurile cu roller-coaster pot cântări câteva tone și pot atinge viteze de peste 120 de kilometri pe oră. Frânele normale, care funcționează conform principiului de frecare, sunt supuse unor niveluri extrem de ridicate de uzură atunci când sunt îndeplinite astfel de cerințe. Există însă și tehnologii de frânare fără contact care funcționează pe principiul inducției electromagnetice.
Inițial, aceste frâne de curenți turbionari au fost utilizate în turnurile cu cădere liberă. Aici o telegondolă cu pasagerii este trasă încet la o înălțime mare. Odată ajuns în partea de sus, este eliberat și apoi cade complet liber. Magneții permanenți puternici sunt atașați la nacelă, iar în zona inferioară a turnului există lame de frână din material conductiv. Când nacela intră în această zonă, magneții induc curenți turbionari în conductori. Acești curenți formează din nou un câmp magnetic care este opus câmpului magnetic cauzal (regula de inducție a lui Lenz). Gondola este apoi frânată. Cu cât conductorul și câmpul magnetic se mișcă mai rapid unul împotriva celuilalt, cu atât forța de frânare este mai puternică.
Un beneficiu vital al acestor frâne este că acestea funcționează perfect chiar și în caz de pană de curent. Frânele cu curenți turbionari au fost, de asemenea, utilizate pe montanții cu role din anii '90. Magneții sunt de obicei pe șină, iar lamele de frână pe mașină. Frânele cu fricțiune normală sunt încă esențiale, deoarece frânele magnetice funcționează numai atunci când există o mișcare relativă între magnet și conductor, adică nu pot aduce trenul într-o oprire completă sau o pot ține pe o pantă.
Cel mai rapid roller coaster din lume
Regula de inducție a lui Lenz este utilizată și în sistemele moderne de acționare. În plus față de ascensorul cu lanț, există posibilitatea de a oferi trenului suficientă energie pentru călătorie cu o lansare de catapultă. Acest tip de cale a fost utilizat de la mijlocul anilor 1990 și de la introducerea LIM (motor cu inducție liniară) în construcția de roller coaster. Muntele rusesc poate fi accelerat aproape dintr-o poziție în picioare pe o pistă orizontală. Principiul LIM urmează cel al unui motor de curent alternativ, cu excepția faptului că aici este generată o mișcare liniară în loc de o rotație.
În termeni simpli, bobinele sunt atașate de șinele la care se aplică curent alternativ. Acest lucru creează un „câmp de călătorie” asemănător undelor care se deplasează de-a lungul șinelor. Sabiile scării sunt atașate la mașinile cu role, în care câmpul magnetic induce curenți turbionari. Se creează un câmp opus. Efectul respingător al ambelor câmpuri magnetice este utilizat în așa fel încât câmpul magnetic al mașinii este tras în spate de câmpul călător. Pentru ca acest lucru să funcționeze deloc, sunt necesare tehnologii complexe de control electric și măsurarea poziției cărucioarelor exacte la milimetru. În plus, sunt necesare cantități enorme de energie pentru o perioadă scurtă de timp, ceea ce poate pune la încercare rețeaua electrică a unui parc de distracții. Așadar, există multe provocări de stăpânit, dar sentimentul de a conduce atunci când o mașină care cântărește tone este accelerată la aproximativ o sută de kilometri pe oră în câteva secunde merită efortul pentru multe parcuri de distracții.
Cu toate acestea, înregistrările de viteză nu pot fi realizate cu acest sistem. Acest lucru ar necesita cantități foarte mari de energie pentru a fi puse la dispoziție într-un timp foarte scurt, pe care sursa de alimentare a parcului nu ar putea să o facă față. Cel mai rapid roller coaster din lume, „Formula Rossa” din Dubai, accelerează la 240 de kilometri pe oră în 4,9 secunde. O acționare hidraulică este responsabilă de aceasta, în care cantitatea de energie este comprimată pe o perioadă mai lungă de timp și apoi eliberată brusc la început.
Accelerare și forțe g
Conform celei de-a doua legi a lui Newton, accelerația unui corp poate fi calculată din raportul dintre forța care acționează asupra acestuia și masa sa F = m · a. De aceea, termenii forță și accelerație sunt adesea folosiți sinonim. Accelerația datorată gravitației în latitudinile noastre are o valoare de g = 9,81 m/s.
Pentru a imagina mai bine forța care provoacă accelerația, aceasta este dată ca multiplu al accelerației datorită gravitației. Atunci se vorbește oarecum înșelător despre forțele g. Cu o „forță” de 3g, de trei ori greutatea sa acționează asupra unui corp. Accelerații de până la 6g pot apărea pe scurt la monturi russe. Accelerările care sunt prea puternice sau care durează prea mult pot împinge sângele din creier în picioare, provocând o întrerupere. Corpul nu poate face față atât de bine accelerațiilor laterale, motiv pentru care sunt limitate legal la maximum 2g.
Forțele g negative declanșează senzația familiară de furnicături în stomacul pasagerilor. Deoarece corpul nostru nu este o structură solidă, rigidă, ci este alcătuită din multe organe care sunt relativ ușor „suspendate”. Dacă accelerația gravitațională este aparent anulată, organele nu se mai apasă reciproc, ci fiecare organ se mișcă în cădere liberă, ca să spunem așa. În plus față de furnicături, acest lucru poate duce la greață pentru unii pasageri.
Forța centrifugă și forța centripetă
Termenul de forță centrifugă este cunoscut în viața de zi cu zi pentru forța care acționează la viraje. Fizicianul vorbește adesea despre forța centripetă. Ambele forțe sunt egale ca mărime, dar acționează într-o direcție diferită. Ele descriu același fenomen, singura diferență fiind în punctul de vedere al privitorului. Forța centripetă este forța care forțează un corp pe o cale curbată. Șinele sunt responsabile pentru acest lucru pe roller coaster. Un observator care stă în fața roller-coaster-ului poate vedea cum mașinile sunt direcționate pe pista lor.
Forța centrifugă, pe de altă parte, este o așa-numită forță aparentă care apare în cadre de referință accelerate. Pasagerul de pe roller coaster are senzația că o forță îl împinge spre exterior în curbă. Ceea ce simte este inerția corpului său în raport cu schimbarea direcției. Deoarece forța centrifugă este mai în concordanță cu experiența reală pe roller coaster, acest termen va fi folosit în articol.