過山車中的物理原理

張義勇

一、過山車運行原理

1.起步

過山車本身沒有動力來源，要走完全程就必須儲備足夠的能量——重力勢能.運行伊始，過山車都要先爬上一段陡坡，隨著過山車高度的不斷增加，其儲備的重力勢能也逐漸增加.

過山車爬坡的動力來源于外部的電動機：首段上升坡道中的鋸齒狀鏈條（圖1）在外部電動機的帶動下持續運轉，它能鉤住過山車的底部，并將其拉到坡道頂端.就這樣，電動機通過鏈條帶動過山車上升并對其做功，將消耗的電能轉化為過山車的機械能.

2.下坡

當過山車越過第一個坡頂后，它將轉而迅速下降（如圖2的AB段，假設過山車向右運行）.隨著過山車高度的不斷降低，其運行速度迅速增大，在這個過程中過山車的重力勢能轉化為動能.

3.上坡

當過山車上坡時（圖2的BC段），隨著過山車高度的逐漸增加，其運行速度逐漸減小，在這個過程中，過山車的動能轉化為重力勢能.

4.回環

驚險刺激的過山車軌道中往往有一個甚至多個“回環”（圖2中的圓環），在過山車行駛的過程中，它可以迅速地“沖過”圓環的制高點C.車內的乘客在越過C點時可是頭朝下腳朝上的，車內的乘客會掉下來嗎？

要解決這個疑問，我們可以參考一個游戲——水流星（圖3）.表演者用繩子系住裝水的水桶，當他拉著繩使水桶在豎直平面內高速轉動時，水桶中的水也不會流出來.這種神奇的現象來源于“向心力”.

要使物體沿著圓弧軌道做圓周運動，它所受的合外力就要指向圓心，這個力叫做向心力.當過山車以合適的速度越過最高點時，人所受重力恰好可以提供使人沿圓周運動的“向心力”，因而人不會掉下來.

5.行程

細心的同學會發現，過山車整個軌道中的最高點往往是第一個坡道的頂端，其后所有的坡道頂端都比第一個坡道的頂端低.這是因為在過山車高速運行的過程中，要克服軌道摩擦力和空氣阻力做功，機械能轉化為內能，過山車的機械能逐漸減少，所能達到的最大高度也依次降低.

6.剎車

將近終點時，通過車輪與軌道間的摩擦使車輛減速，也有一些過山車利用磁力剎車，直至安全停止.

二、乘坐感受的瞬息萬變

1.失重

當過山車在蜿蜒曲折的軌道上急速飛馳，乘坐的感受也瞬息萬變.當過山車加速下降或減速上升時，乘客感到人快要和座位脫離，如同騰空一般，這種情況叫做“失重”.生活中的“失重”現象較多，乘坐電梯加速下降和減速上升時，也會有失重的感覺.

2.超重

當過山車加速上升或減速下降時，乘客感到好像被緊緊地壓在座位上，這種情況叫做“超重”.乘坐電梯加速上升或減速下降時，也會有超重的感覺.

我們可以做一個小實驗來體會失重和超重.如圖4，將一個礦泉水瓶的瓶口處綁上一塊薄膜，底部開口后裝入適量的水，手握瓶身保持靜止，觀察此時薄膜的形變程度.若手持水瓶加速下降，會發現薄膜的形變程度減小，說明水與薄膜間的相互作用力減小，這就是失重狀態；若手持瓶身使其加速上升，發現薄膜的形變程度增大（甚至會被脹破），說明水與薄膜間的相互作用力增大，這就是超重狀態.

3.座位選擇

在乘坐過山車時，如果坐在前排，就可以享受一場視覺盛宴.由于視野寬廣，景象的急速逼近和旋轉會讓人感受到強烈的速度感和危險感.過山車設計者們甚至會刻意地在彎道附近設置障礙物，讓人覺得過山車即將撞上去一般，從而營造出強烈的刺激感.這種視覺沖擊是后排的乘客難以體會到的.

如圖5，在過山車向右行駛并高速越過坡頂時，由于慣性，車內的乘客會有種要被甩出軌道的感覺.當前排乘客A越過坡頂時，整個車輛的重心O仍處在上升過程，這是一個減速過程.因此A沿軌道運行的速度越來越小，導致其感受到“被甩出去”的感覺越來越弱.當后排乘客B越過坡頂時，整個車輛的重心O已處在下降過程，這是一個加速過程.因此B沿軌道運行的速度越來越大，導致其感受到“被甩出去”的感覺越來越強.因此越過同一個坡頂時，坐在后排的乘客感覺最刺激.

三、乘坐過山車的注意事項

由于過山車在軌道上高速運轉，乘客在上車前應將容易脫落的物品取下.

乘坐過山車必須系好保護裝置.國內外都曾發生過相關事故，當過山車被卡在半空時，保護裝置就能為人提供足夠的支撐.另外這些保護裝置也能保證過山車高速過彎時，將人體固定在車內，防止人體被甩出去.

乘坐過山車時需要面向前方，以避免耳部受損.國外有過乘坐過山車導致耳部受損的事件，后來證實是因為其與左邊的同伴講話，強風直接灌入右耳，強大的氣壓導致他耳道腫大、耳膜發炎、短暫失聰.