自制桌面過山車

段玉佩

要說游樂場中最受歡迎的游樂設施是什么？那一定是過山車了！它時而馳向天空，時而駛入深淵，承載著全車人的驚呼，翻著跟頭飛馳，風馳電掣般地越過一個又一個轉彎，待到終于下了車，狂跳的心還要等好久才能重歸平靜。今天，我們就要借助科學的力量，來創造一輛“飛馳”在書桌上的過山車。

實驗材料

硬質彩紙、膠帶、剪刀、尺子、鉛筆、硬紙板、玻璃彈球

實驗步驟

構建直線軌道：用彩紙剪一條寬7.5厘米的長方形紙帶，用鉛筆和尺子將它平均劃分為三個條帶，每條寬度為2.5厘米。將兩邊的條帶沿分界線向上折疊90度，形成墻壁。如此，一條筆直的過山車直線軌道就完成了。

構建環形軌道或“迷你山丘”：和做直線軌道的第一個環節一樣，繪制兩條平行線，將其分成三條 2.5 厘米寬的條帶。再用剪刀將兩邊條帶剪成一條條寬度相等的小“鋸齒”，然后將每頁小片沿著分界線向上折疊成90度。再將軌道彎曲成你想要的弧度或者環形，借助同伴的幫忙用膠帶固定相鄰的小片，使其造型固定下來。

平彎軌道：平彎軌道與直線軌道和環形軌道都不一樣，它同時擁有直線軌道的水平特點和環形軌道的弧度特點。制作它的第一個環節依然不變，剪紙帶，平均劃分三個條帶（寬度2.5厘米）。接下來，用剪刀在紙帶的左、右其中一側剪成一頁一頁寬度相等的小片。再將剪的小片沿著分界線折成90度，進行單側軌道平面彎曲，接下來用膠帶固定相鄰的小片，使其保持造型固定。完成后，三種軌道的制作方法就都介紹完了，你也可以根據自己的創意再制作相應數量和長度的軌道。

支撐柱：過山車從高處滑出離不開支撐柱的幫忙。我們需要剪兩條8厘米寬的紙帶，用鉛筆和尺子在每條紙帶上平均劃分出四個條帶，每條寬度為2厘米。在紙帶的頂端，用剪刀沿著直線剪出2.5厘米的長條。將這兩條處理好的紙帶折疊成底面邊長為2厘米的四棱柱，同時將剪開的四個2.5厘米長條向外翻，以“十字形”將四棱柱支撐架粘貼固定在硬紙板上。

將制作好的各類型軌道組合好，首尾連接并確保軌道暢通。要確保從支撐架的起點開始到終點的過程中，軌道的走勢是依次下降的，這樣過山車才可以順利通過。軌道制作完成之后，用玻璃彈球測試一下過山車是否可以順暢地從軌道的起點走到終點？如果過程中有卡頓，可以將起始高度變高，這樣玻璃彈球就可以獲得更快的加速度，另外也可以將平彎軌道的弧度變小，便于節省能量損耗。

實驗原理

過山車不同于汽車或者火車，它本身是沒有動力驅動裝置的。不管你坐哪里的過山車，一定都會記得在過山車真正“飛奔”之前，總需要一個緩慢的爬升階段。到達高峰后，過山車就獲得了一種叫作重力勢能的能量，過山車到達的位置越高，其擁有的重力勢能也就越大。在過山車的“飛奔”過程中，重力勢能轉化為飛奔的動能，也有一部分能量在過山車與軌道和空氣的摩擦過程中轉化為熱能而消失。由于摩擦而損失動能能量永遠不會大于過山車的初始潛在能量總量。這意味著設計師必須確保過山車有足夠的初始潛在能量，使其通過軌道的其余部分。如果過山車不能完成一個完整的軌道，那就需要加高高度，使其有更多的動力勢能在之后的過程中轉換為動能，但如果軌道太長，摩擦最終也可能導致過山車中途停止。

實驗升級

優秀的工程師可以通過計算過山車攀爬的高度以及彈球的質量等影響因素，計算出獲得的重力勢能和飛奔后轉化的動能及消失的熱能。為了讓過山車達到最佳狀態，你將如何設計最經濟、最安全，能量損失最小的過山車呢？

（責任編輯 / 陳天昊? ?美術編輯 / 胡美巖）