Fysiken i berg-och dalbanor är både komplex och enkel, men utan inflytande från denna gren av vetenskapen skulle dessa fantastiska nöjesturer inte röra sig en tum.
Vad är fysik?
Fysik är studiet av materia och energi och hur olika krafter från varje interagerar med och påverkar varandra. Från gravitation till acceleration till friktion, fysik är nyckelvetenskapen bakom den framgångsrika driften av alla berg-och dalbanor. Oavsett om en åktur är en enkel barn-och dalbana eller en komplicerad skrikmaskin, måste de alla följa samma fysikprinciper för säker och effektiv drift.
Physics of Roller Coasters: Key Concepts
Den mest grundläggande fysikpremissen som påverkar berg-och dalbanor är ordspråket "det som går upp måste komma ner." Processen för hur det där "kommer ner" vrids till slingor, kurvor, kullar och inversioner kräver dock mer specialiserad kunskap. Viktiga och dalbana fysikbegrepp inkluderar:
- Gravitation: Gravitationen är kraften som drar alla objekt mot jordens centrum och är det enskilt viktigaste fysikkonceptet relaterat till berg-och dalbanor. I huvudsak, när en berg-och dalbana lossnar från den ursprungliga kedjelyften eller framdrivningskraften, säkerställer gravitationen att den fullbordar sin kurs längs banan. Tyngdkraften upplevs också av ryttare i termer av både positiva och negativa krafter som verkar trycka förare djupare ner i sina säten eller dra upp dem ur dem, en spännande sensation som många spänningssökare uppskattar.
- Potentiell energi och kinetisk energi: Dessa två relaterade begrepp styr förändringarna i en dalbanas hastighet och höjd. Enkelt uttryckt, ju högre ett föremål är från marken, desto mer potentiell energi har det - det vill säga potential att få fart när det faller. När den faller mot marken ändras den potentiella energin till kinetisk energi, eller rörelseenergi. Summan av de två energityperna är konstant, men en berg-och dalbana måste upprätthålla en adekvat balans mellan potentiella och kinetiska energier för att ge en spännande åktur.
- Acceleration: Acceleration, som ofta förväxlas med hastighet, är faktiskt en hastighetsförändring - vilket kan vara en förändring av antingen hastighet eller riktning. Därför accelererar en berg-och dalbana genom slingor och kurvor även om hastigheten förblir konstant.
- Friktion: Fysikformler och beräkningar måste inkludera friktion som en nyckelfaktor för berg-och dalbanor, eftersom friktion är en kraft som avsevärt kan bromsa en åktur. Kontakt mellan tåget och luften och mellan hjulen och spåret skapar alla friktion på resan.
Ytterligare fysikkoncept
Förutom dessa nyckelprinciper för berg-och-dalbanornas fysik påverkar även andra fysikkoncept hur dalbanor fungerar och är lika viktiga för en säker och rolig åktur.
- Pressure: Många berg-och dalbana bromssystem drivs av lufttryck, och det trycket måste vara tillräckligt för att stoppa både tomma och lastade tåg utan att skada passagerare eller utöva för mycket stress på åkstrukturen.
- Optics: Optiska sensorer hjälper datorsystem att kontrollera var resan är och hur den fungerar.
- Magnetism: Många högteknologiska åkturer använder elektromagneter antingen som en form av framdrivning eller bromsning, och magneterna måste vara exakt tidsinställda och kalibrerade för säker drift.
- Elektricitet: Korrekt elektricitet är avgörande för berg-och dalbanor, från att faktiskt köra resan till att driva lamporna som dekorerar den.
Fler vetenskapliga nödvändigheter
Fysik är inte den enda vetenskapen som behövs för en smidigt fungerande, spännande berg-och dalbana. När en åktur utformas måste ingenjörer och parktjänstemän också överväga:
- Biology: Hur stressen under åkturen kommer att påverka ryttare är en viktig faktor för huruvida åkturen är njutbar eller smärtsam. En mycket dåligt utformad åktur kan till och med leda till blackout, huvudvärk och andra skador.
- Geology: Moderna berg-och dalbanor i stål väger hundratals ton, och en akut förståelse för parkens geologi är nödvändig för att placera dalbanan på en stabil, stödjande yta. Cedar Point är ett exempel på en park som måste ägna särskild uppmärksamhet åt detta, eftersom dess sjutton berg-och dalbanor är placerade längs en sjöstrand och runt en sumpig lagun.
- Climatology: Klimatet en åktur är byggd i kan i hög grad påverka de typer av material som används för dess konstruktion.
- Psychology: Hur en åktur heter, dekoreras och marknadsförs kräver en detaljerad förståelse av psykologi för att locka ryttare.
Studera fysik med berg-och dalbanor
Eftersom det finns så många vetenskapliga koncept som används för att designa, konstruera och driva en berg-och dalbana, arrangerar många nöjesparker Physics Day-evenemang och bjuder in lokala skolor att testa sina kunskaper mot parkens åkattraktioner. Fysiklärare kan kräva att eleverna mäter hastigheter, vinklar, hastighet, acceleration och andra berg-och-dalbana-fakta för att kunna svara på frågor, medan vissa parker erbjuder tävlingar för blivande berg-och-dalbana-ingenjörer för att designa sina egna åkturer och bygga modeller. Detta kan vara ett roligt och lärorikt evenemang för fysikstudenter från grundskole- till högskolenivå.
Ytterligare resurs
Intresserad av att lära dig mer om berg-och-dalbanornas fysik? Prova online Funderstanding Roller Coaster, där du kan justera storleken på kullar, vertikala slingor, friktions- och gravitationskrafter, träna massor och andra faktorer för att se fysikkoncept i aktion.