向過山車請教科學問題

問題1：過山車究竟是什么車？

乍一看，過山車很像是普通的小火車，車廂一節連著一節，車上坐著游客，在固定的軌道上運行。但實際上，與火車最大的不同在于，過山車本身并沒有動力來源。

我們平常所說的過山車，是特指游客乘坐的小列車，實際上，整個過山車的組成部分還應該包括——滑行軌道、立柱、牽引系統、制動系統、站臺、電氣系統等。每一部過山車從站臺出發后，都會先進入一段上坡，這段上升軌道里的機械裝置會將小列車推上最高點，但之后，就再也沒有外力為它提供動力了。它只能依靠自己的重力勢能變成動能及慣性使自己前進。

另外，與火車明顯不同的，還有過山車的輪子。

大家都見過火車的車輪，那是一個巨大的圓盤，圓盤的側面一圈都是凹進去的，牢牢壓住下方的鐵軌。而過山車需要在空中進行盤旋、倒轉等動作，它的輪子就必須特別一點了。

目前世界上的過山車可以分為兩大類。第一類是木制過山車，它出現得比較早，軌道和車輪近似于火車，特別之處在于，車輪的下方還配備了另外一組輪子，用來在軌道的下方滾動，防止車廂被甩到空中。第二類是鋼管過山車，從20世紀50年代開始出現。它的軌道是空心的無縫鋼管，它的車輪有三組，除了傳統的一組安置在軌道正上方外，還有其他一些車輪，分別運行于軌道的底部和側面。這種設計使車廂能夠穩固地卡在軌道上，這在列車穿過軌道的盤旋和彎道階段時極為重要。

問題2：過山車是如何開動的？

過山車沒有動力來源，又如何帶著游客完成那些刺激的冒險旅程呢？讓我們從頭到尾來觀察一下過山車的運行全過程。

首先，游樂場的工作人員會按下一個按鈕，閘打開了，原本安靜呆在站臺里的過山車開始緩緩向前移動。很快過山車就來到了上坡的地方，牽引系統出現了。

目前，大多數過山車的牽引系統都是鏈條式的，鏈條安裝在軌道的下面，并沿坡道向上延伸，固定成一個環形，跟我們日常生活中遇到的扶梯類似。

這個環形的兩側，即坡道的底部和頂端，各有一個傳動裝置，由電動機負責轉動。電動機轉動鏈條，使其像一個傳送帶那樣持續不斷向坡頂移動。等過山車到達的時候，車廂下面的鎖簧會自動鉤住鏈條的鏈節，鏈條就會拉著列車向坡頂行進。等到達最高處，鎖簧會自動松開，這時候，過山車就只能“靠自己”了。

有上坡，自然就得下坡。通常在經過初期的爬升階段后，游客們會立刻發現自己接下來要面對一段非常長的陡峭下坡。這時，過山車沒有選擇，它只能在重力的作用下迅速向地面俯沖。

事實上，過山車在接下來的行駛中唯一能借助的就只有“重力勢能”了。而這個重力勢能是由前面傳動裝置的電動機給的，這個能量經過精確計算，足夠完成下面的大回環運動。什么是重力勢能？即物體因其所處位置而擁有的能量，它是由于物體和地球的引力相互作用而產生的。以騎自行車為例，你辛苦騎上坡（對車做功），下坡的時候就可以不用踩，自行車自己就會沖下去。你爬的坡越高（做的功越多），自行車就能沖得越遠。

問題3：過山車為什么不會掉下來？

對過山車來說，它的勢能在被拖到第一個上坡的頂端時達到了最大值。當它開始向下運動時，它的勢能就不斷地轉化成了動能，也就是運動的能量，使過山車能夠繼續前進。

在前進的過程中，大多數過山車都會遇到一個難題，那就是豎直大回環，即軌道前方出現了一個大圓圈。這意味著，游客們會沿著軌道，仰面朝上沖進回環，并且在最高處的時候，完全呈現頭朝下的狀態。有些過山車愛好者最喜歡的就是這個時候，因為在短短幾秒鐘的時間里，由于處在失重狀態，你會感到輕如羽毛，眼中看到的是—個倒過來的世界。

大回環實際上就是一個離心機裝置，在回環里，游客受到的合力不斷變化：在回環的底部，離心力方向與重力一致，此時游客感覺到身體特別沉重（即超重狀態）。當一路沖上回環時，游客會感到離心力將自己向座位方向擠壓。到了回環頂部，游客完全倒了過來，重力想把游客拽下去，但此時離心力比重力更大，且方向直指天空，把游客按在了座位上。此時可能會出現短暫的失重現象，但是從理論上來說，只要達到了一定的速度，就算沒有安全護具，游客也百分百不會掉下來。當然，出于安全考慮，最好還是做足防護措施。

根據能量守恒原理，如果不考慮空氣的阻力和軌道的摩擦力，那么，運動中的過山車，無論處在何處，它具有的勢能和動能之和，都應該等于它在第一個坡頂時的勢能。而玩過過山車的朋友如果注意觀察，一定會發現，過山車所有運動軌跡中，第一個坡頂最高，它比大回環的最高處要高許多。這意味著，過山車在第一個坡頂積蓄的勢能要比它在大回環最高處的勢能大得多。因此，在勢能一動能的轉化中，會有足夠的動能保證過山車以一定速度安全通過大回環的最高點，而不會掉下來。

問題4：過山車的最佳座位在哪里？

據說，坐在過山車的不同車廂里，游客會收獲不同的體驗，這是真的嗎？

我們知道，過山車的所有車廂都是在相同軌道上運行的，因此重力會在大體相同的點使其產生加速和減速。但除了受到重力的作用外，每個車廂還受到與其相連的車廂的推力和拉力作用。正是這個附加力導致了過山車每節車廂給人的感覺略有不同。

為了理解其原理，讓我們假定過山車到達了軌道的頂部。當第一節車廂越過頂點后，重力開始將其沿軌道的下坡向下拉，導致第一節車廂開始加速，這將帶動第二節車廂加速，進而帶動第三節車廂加速，以此類推。當最后一節車廂移過頂點時，重力使第一節車廂加速已有一段時間。

尾部的車廂到達頂部時的加速度要比第一節車廂大，而這個增加的力實際上將車廂推過頂點，并突然作用在游客身上，讓游客感覺自己幾乎要從座位上飛出去。因此，對于許多人而言，尾部的最后一節車廂，是在乘坐過山車時的最佳位置。

但在大多數過山車中，從尾部車廂并不能很好地看到軌道，因為視線被前面的人擋住了。

乘坐過山車時，良好的視線非常重要，這會讓您感受到速度和危險——過山車設計者刻意在軌道附近放置各種障礙物，讓人感覺到過山車似乎就要失去控制。在典型的過山車設計中，前面車廂的游客可以無障礙地看到所有這些障礙物從身邊閃過。

因此，過山車上的最佳位置取決于個人愛好。如果您喜歡失重的感覺，則可以選擇尾部的位置。如果想獲得最佳的視野，則可以選擇前部的位置。中部車廂的乘坐體驗最一般，但仍然能有不錯的感覺。實際上，只要坐上過山車，你都會有很棒的感覺。