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介紹一個(gè)娛樂設(shè)施的物理原理

??過山車運(yùn)行中物理學(xué)原理

加速度
速率(有方向的速度)的改變稱為加速度。一個(gè)物體加速，減速，或改變方向,稱之為加速度。大部分大型游樂設(shè)備包括加速度。當(dāng)下坡，或急速轉(zhuǎn)彎,設(shè)備可能提高速率或加速度。
??當(dāng)上坡，或沿直線運(yùn)動(dòng),設(shè)備可能減小速率或減速度。當(dāng)過山車下坡，地心引力使車體運(yùn)動(dòng)的速度越來越快,這是加速度。當(dāng)過山車上坡，車體運(yùn)動(dòng)的速度越來越慢,這是減速度。過山車的加速度與車體的質(zhì)量和推拉的動(dòng)力有直接的關(guān)系。
向心力
當(dāng)過山車沿著回環(huán)運(yùn)動(dòng),向心力發(fā)生作用。
??向心力是物體沿著圓周運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。例如當(dāng)你沿著下滑曲線向地面運(yùn)行,地心引力使過山車沿直線作下滑運(yùn)動(dòng),但是軌道是曲線的,向心力里又使過山車沿曲線運(yùn)動(dòng)。乘客在過山車上的感覺是被拋離軌道,但是地心引力又使車體的的確確運(yùn)行在軌道上作圓周運(yùn)動(dòng),所以指向圓周或曲線內(nèi)部的動(dòng)力是必須的。
??對(duì)于指向圓周或曲線內(nèi)部的動(dòng)力,稱之為向心力。
能量(動(dòng)能 勢(shì)能)
能量使物體工作
動(dòng)能-正被使用的能量,能量產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
勢(shì)能--被儲(chǔ)存的能量,以后再使用
能量的守恒定率社區(qū)娛樂設(shè)施介紹：能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,但是不回自動(dòng)生成和消失。
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當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)過山車攀登到達(dá)第一個(gè)坡度,過山車儲(chǔ)存越來越多的勢(shì)能。當(dāng)重力牽引過山車沿斜坡下滑,勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。斜坡上離頂部越遠(yuǎn)，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能就越多,乘客能感覺到速度的加快。在斜坡的最底部,速度最快。
當(dāng)車體攀登第二個(gè)山坡，動(dòng)能又逐漸轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,過山車的速度逐漸減慢。
??高度越高,意味著動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能越多。這個(gè)動(dòng)能勢(shì)能的轉(zhuǎn)化守恒定率,保持過山車沿軌道上下運(yùn)動(dòng)。而動(dòng)能的總量是保持不便,只是重一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。請(qǐng)注意第一個(gè)山坡是過山車的最高點(diǎn),為什么?
然而，一部分的能量轉(zhuǎn)化摩擦力，風(fēng)阻,車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和其他一些消耗能量的因素。
??過山車設(shè)計(jì)者充分考慮摩擦力在過山車運(yùn)行中所扮演的角色。因此設(shè)計(jì)師降低山坡設(shè)計(jì)的高度,以保證過山車能夠完全駛過山坡。
過山車能夠運(yùn)行是因?yàn)閮蓚€(gè)基本點(diǎn):地球引力和能量守恒。
作用力
作用力的表現(xiàn)形式是推或拉。
??平衡的作用力表現(xiàn)為物體在受到幾個(gè)力作用時(shí),物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。非平衡力表現(xiàn)為物體在受到幾個(gè)力作用時(shí),物體保持非靜止?fàn)顟B(tài)或變速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
牛頓第一和第二定律定律特別符合過山車的工作原理，它們聯(lián)系到重力和加速度。
??過山車從山坡的頂端是一系列復(fù)雜的傾斜的下降運(yùn)動(dòng)；但又是一個(gè)簡(jiǎn)單的力學(xué)原理。
我們以G作為過山車所受到的重力。1G是坐在靜止過山車的乘客，或在地球任何地方所受到的重力。
摩擦力
兩個(gè)互相接觸的物體,當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力,這種力就叫摩擦力。
??
摩擦力產(chǎn)生的條件是兩物體相互接觸,且接觸面粗糙,有相互擠壓;兩物體之間要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
摩擦力阻礙物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),因此摩擦里的方向與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)相反。
所以在物體的運(yùn)動(dòng)中,一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦力。
??過山車的設(shè)計(jì)者一定要知道摩擦力在車體運(yùn)動(dòng)中所起的作用。設(shè)計(jì)者可以用摩擦力以降低過山車行進(jìn)中的速度和到站后的安全停止。
重力
由于地球的吸引里而使物體受到的力叫作重力。
對(duì)過山車最為重要和具有影響的是地球引力。
??地球引力使物體從一個(gè)點(diǎn)往另外一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。由于重力引起的加速或減速依據(jù)軌道傾斜的角度;坡度越陡,加速或減速就越明顯。
重力加速度
描述壓力的通常單位是g。一個(gè)g等同與地球引力。航天飛機(jī)起飛時(shí)，宇航員承受是3g的壓力,既三倍于地球引力。
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斜坡#1
在設(shè)計(jì)斜坡#1時(shí),請(qǐng)考慮以下的問題:
斜坡有沒有足夠的高度,以提供過山車有足夠的動(dòng)力使過山車通過斜坡#2和回環(huán)。
如果過山車的速度過快，當(dāng)過山車通過斜坡頂部時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況,為什么？
地球引力的變化對(duì)于過山車上下山坡和穿過回環(huán),會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。
??
你能不能改變地球的引力？
斜坡#2
為什么斜坡#2的高度決定過山車能否穿過回環(huán)?
什么樣斜坡的高度設(shè)計(jì)使過山車能通過回環(huán),而又不墜毀？
摩擦力的設(shè)計(jì)是不是影響過山車能否順利通過斜坡#2和饒過回環(huán)的因素？
重力是如何影響車廂在軌道上行進(jìn)的？
慣性
一個(gè)靜止的物體，如過山車，沒有外力的推拉,它是不會(huì)運(yùn)動(dòng)的。
??物體質(zhì)量越大,慣性越大。
如果沒有外力使過山車加速或減速,行進(jìn)中的過山車會(huì)按原來的方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行過山車的阻力改變它的速率是慣性的另一例子。
對(duì)于回環(huán)設(shè)計(jì)和，必須決定回環(huán)的大小尺度。驚險(xiǎn)的過山車通常會(huì)有回環(huán)或螺旋設(shè)計(jì)。
??你驚險(xiǎn)的經(jīng)歷不僅僅是飛快的速度，巨大的落差,也包括令人難忘的上上下下的翻滾。
如果你細(xì)看過山車回還的曲線，你所見到的不是圓,而是淚狀物。這個(gè)形狀稱作橢圓形回環(huán)。這個(gè)稱謂早在18世紀(jì)瑞士天才數(shù)學(xué)家雷納就曾提出。只是最近過山車設(shè)計(jì)工程師意識(shí)到這是一個(gè)完美的翻轉(zhuǎn)形狀。
??
質(zhì)量
質(zhì)量是物體所含物質(zhì)的多少。
動(dòng)量
物體的動(dòng)量是質(zhì)量乘以速率。如果質(zhì)量或速率很大,物體的動(dòng)量也很大。物體的動(dòng)量越大,使物體停下來或改變物體的運(yùn)動(dòng)方向就越困難。
??
牛頓的運(yùn)動(dòng)三定律
牛頓是經(jīng)典力學(xué)理論的集大成者。他系統(tǒng)的總結(jié)了伽利略、開普勒和惠更斯等人的工作，得到了著名的萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)三定律。
1643年1月4日，在英格蘭林肯郡小鎮(zhèn)沃爾索浦的一個(gè)自耕農(nóng)家庭里，牛頓誕生了。
??在牛頓以前，天文學(xué)是最顯赫的學(xué)科。但是為什么行星一定按照一定規(guī)律圍繞太陽運(yùn)行？天文學(xué)家無法圓滿解釋這個(gè)問題。萬有引力的發(fā)現(xiàn)說明，天上星體運(yùn)動(dòng)和地面上物體運(yùn)動(dòng)都受到同樣的規(guī)律--力學(xué)規(guī)律的支配。
早在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律以前，已經(jīng)有許多科學(xué)家嚴(yán)肅認(rèn)真的考慮過這個(gè)問題。
??比如開普勒就認(rèn)識(shí)到，要維持行星沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)必定有一種力在起作用，他認(rèn)為這種力類似磁力，就像磁石吸鐵一樣。1659年，惠更斯從研究擺的運(yùn)動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，保持物體沿圓周軌道運(yùn)動(dòng)需要一種向心力。胡克等人認(rèn)為是引力，并且試圖推到引力和距離的關(guān)系。
牛頓自己回憶，1666年前后，他在老家居住的時(shí)候已經(jīng)考慮過萬有引力的問題。
??最有名的一個(gè)說法是：在假期里，牛頓常常在花園里小坐片刻。有一次，象以往屢次發(fā)生的那樣，一個(gè)蘋果從樹上掉了下來……一個(gè)蘋果的偶然落地，卻是人類思想史的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它使那個(gè)坐在花園里的人的頭腦開了竅，引起他的沉思：究竟是什么原因使一切物體都受到差不多總是朝向地心的吸引呢？牛頓思索著，終于，他發(fā)現(xiàn)了對(duì)人類具有劃時(shí)代意義的萬有引力。
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1686年底，牛頓寫成劃時(shí)代的偉大著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書。牛頓在這部書中，從力學(xué)的基本概念(質(zhì)量、動(dòng)量、慣性、力)和基本定律(運(yùn)動(dòng)三定律)出發(fā)，運(yùn)用他所發(fā)明的微積分這一銳利的數(shù)學(xué)工具，不但從數(shù)學(xué)上論證了萬有引力定律，而且把經(jīng)典力學(xué)確立為完整而嚴(yán)密的體系，把天體力學(xué)和地面上的物體力學(xué)統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大的綜合。
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牛頓定律
牛頓是十七的世紀(jì)最有影響的科學(xué)家之一。牛頓三定律解釋運(yùn)動(dòng)物體的各方面,對(duì)于建造過山車也是很有幫助的。
1、第一定律（物體在沒有外力作用的情況下會(huì)保持原有的狀態(tài)）；
2、第二定律（F=ma，物體的加速度，與施加在該物體上的外力成正比）；
3、第三定律（作用力與反作用力大小相等，方向相反）；
1。
??牛頓第一定律（慣性定律）
一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。
物體沒有受外力作用時(shí)保持靜止或勻速運(yùn)動(dòng)
物體在受到平衡力作用時(shí)保持靜止或勻速運(yùn)動(dòng)
物體在受任意力作用時(shí)作變速運(yùn)動(dòng)。
??
2物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比。這就是牛頓第二定律。
加速度和力都是矢量，它們都是有方向的。牛頓第二定律不但確定了加速度和力的大小關(guān)系，還確定了它們的方向之間的關(guān)系，加速度的方向跟引起這個(gè)加速度的力方向相同。
??
3。第三定律
兩個(gè)物體間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，并且作用在同一直線上
F1＝－F2
①力的作用是相互的同時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)消失。。
②相互作用力一定是相同性質(zhì)的力
③作用力和反作用力作用在兩個(gè)物體上，產(chǎn)生的作用不能相互抵消。
??
④作用力也可以叫做反作用力，只是選擇的參照物不同
⑤作用力和反作用力因?yàn)樽饔命c(diǎn)不在同一個(gè)物體上，所以不能求合力
速度/速率
速度是距離除以時(shí)間或物體運(yùn)動(dòng)的比率。
??對(duì)于過山車的建立，正確的理解速度,速率和加速度都是極為重要的三個(gè)方面。過山車必須兼顧安全和驚險(xiǎn)，安全是過山車建造的第一要素，毫無疑問，乘客在過山車的乘坐中,必須是絕對(duì)安全的。但速度和加速度的驚險(xiǎn)度是過山車成功的重要因素,這關(guān)于速度的控制。所以包括山坡，直線，曲線，俯沖，回環(huán)和剎車系統(tǒng)等都是經(jīng)過科學(xué)的論證和設(shè)計(jì)的，還包括材質(zhì),結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是安全基礎(chǔ)上再生產(chǎn)設(shè)計(jì)的。
??科學(xué)的理論基礎(chǔ)是過山車生產(chǎn)設(shè)計(jì)的核心。
速率。
速率是物體在某個(gè)方向上的速度。當(dāng)方向改變,速率也隨之改變。過山車可以保持固定的速度，但是隨著方向的變化,速率始終是不斷的發(fā)生變化。速率越快,過山車運(yùn)行的速度也就越快。
??通常速度可以用來代替速率，但是,速率是有方向意義上的速度。例如向西100公里/小時(shí)，是速率,向西是指以100公里/小時(shí)行進(jìn)的。
失重
有兩種失重的經(jīng)歷:(1)足夠快的速度離開地球到足夠高的距離使所受重力近于零(重力可以作用與無限距離,人永遠(yuǎn)不可能脫離)。
??(2)下落的速度和和重力加速度是一樣的。即在地球上的加速度是以9。8米/秒豎直向下行進(jìn)。要使人有重量,人必須感覺到來自地面的重力反作用力。
一些游樂設(shè)備在行進(jìn)中，提供了9。8米/秒的下落速度,使人產(chǎn)生失重的感覺。
重量
重量是地球引力作用于物體而產(chǎn)生的壓力。
??
重量作用于地球引力。在月球上的引力是地球上的1/6。所以，在月球上,相應(yīng)物體的重量只有地球上的1/6
做功工作力
做功是指你用了多少拉力或推力,使過山車在行進(jìn)某一段距離。如果你僅僅是握著一個(gè)盒子,就沒有作功于盒子。
??如果你拖拽盒子,就在做功了。過山車通過馬達(dá)作用于鏈條,使過山車沿著軌道行進(jìn)而產(chǎn)生的。。作功克服重力而提升過山車到達(dá)某個(gè)高度。過山車越重,則需要作越多的功。山坡的高度越高,同樣需要作越多的功。重力使過山車下降,其實(shí)也在作功。
正數(shù)值和負(fù)數(shù)值的地球引力
重力并不是地球引力。
??重力只是地球引力的一部分。在1G,是地球拉你向它中心點(diǎn)所受的力。
第三定律告訴我們兩個(gè)物體間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，并且作用在同一直線上。你的體重使座位的表面受到壓力，但你又受到來自座位表面的反作用力，所以你可以相對(duì)座位靜止地坐著。
??在自由落體,座位不再支持你,沒有來自座位表面的反作用作用你身上，所以你感覺下落。座位沒有作用于你,你所經(jīng)驗(yàn)的是0G。
你能也經(jīng)驗(yàn)G力量大于1。這一般發(fā)生在落體的底部。在這種情況下,你感覺自己被推向座位,但實(shí)際情況是座位把你向上推。
??
假設(shè)小山的頂部比拋物線更為小的角度。列車固定在軌道上,沿軌道行進(jìn);然而乘客按拋物線的軌跡行進(jìn),所以將會(huì)離開座位。。如果長(zhǎng)久的保持這種狀況,乘客最終會(huì)碰上安全欄桿,而安全桿會(huì)有一個(gè)向下的作用力,使乘客座保持在位置上。這就是負(fù)數(shù)G值,在過山車的設(shè)計(jì)中十分的明顯。
??
近來,線性地球引力更多的在過山設(shè)計(jì)中得以運(yùn)用。刺激的加速經(jīng)歷使之運(yùn)用的頗為廣泛。線性地球引力表現(xiàn)為過山車加速向前運(yùn)動(dòng),正數(shù)G值的增加。隨同發(fā)生的是乘客的慣性,身體的重心被你遺留在后面,這也正是驚險(xiǎn)的原因。
地球側(cè)引
如果過山車按曲線運(yùn)動(dòng)行進(jìn),但車體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是沿直線運(yùn)動(dòng)的。
??軌道會(huì)有一個(gè)側(cè)面的力作用于車體,使之沿軌道行進(jìn)。同樣的,車體作用力于乘客。當(dāng)乘客按慣性向前運(yùn)動(dòng),他們受到車體的作用力。雖然他們感覺到曲線外面的壓力(通常指的是地心引力),沿著乘客轉(zhuǎn)向的方向。幾個(gè)因素同時(shí)影響側(cè)部的地球引力大小:火車的速度,曲線的弧度,和曲線的數(shù)量。
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曲線
如果軌道的傾斜是向內(nèi)的,那么車體也會(huì)向內(nèi)傾斜,車體的地面會(huì)對(duì)乘客產(chǎn)生作用力,而不是側(cè)面。
所以一些G值表現(xiàn)為正數(shù)。
通常,更大的曲線的轉(zhuǎn)彎,較少側(cè)部力量和更多的正數(shù)的G值。
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反轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)在回環(huán)軌道中,作用力和轉(zhuǎn)彎相似,因?yàn)檐圀w趨向于直線行使,但是軌道是固定設(shè)計(jì)好的。因此,在回環(huán)中,正G值產(chǎn)生。
由于正G值意味著座位反作用于乘客的身體,使你在過山車乘坐中有脫離車體的感覺。
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