过山车的问题过山车为什么不会从轨道上掉下来

Question

过山车的问题
过山车为什么不会从轨道上掉下来

Answer 1

在施行刚刚开始时,过山车的小列车是依靠一个机械装置的推力推上最高点的,但在第一次下行后,就再也没有任何装置为它提供动力了.事实上,从这时起,带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是引力热能,即由引力热能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的.
第一种能,即引力热能是物体因其所处位置而自身拥有的能量,是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的.对过山车来说,它的热能在处于最高点时达到了最大值,也就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大.当过山车开始下降时,它的势能就不断地减少（因为高度下降了）,但它不会消失,而是转化成了动能,也就是运动能.不过,在能量的转化过程中,由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量,从而损耗了少量的机械能（动能和势能）.这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘那样的高度所需要的机械能了.
过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物.事实丰,下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈.因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快,这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故.这样,乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点,从而就会产生一种要被抛离的感觉,因为质量中心正在加速向下,尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的,否则在到达顶峰附近时,小车厢就可能脱轨甩出去.
车头部的车厢情况就不同了,它的质量中心在“身后”,在短时间内,它虽然处在下降的状态,但是它要“等待”质量中心越过高点被引力推动.
到达“疯狂之圈”时,沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯.这时,乘客就会有一种被压到轨道上的感觉,因为这时产生了一种表观的离心力.事实上,在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用产生了一种向心力.这种环形轨道是略带椭圆形的,目的是为了“平衡”引力的制动效应.当过山车达到圆形轨道的最高点时,事实上它会慢下来,但如果弯曲的程度较小时,这种现象会减弱.一旦过山车走完了它的行程,机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来.减速的快慢是由气缸来控制的.