过山车中有学问

丁　一

同学们，你坐过过山车吗?那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。

实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时便巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力结合在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了，当然，如果受你的身体条件和心理承受能力的限制，无法亲身体验过山车带来的种种感受，你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。

在开始旅行时，过山车的小列车是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。因此，从这时起，带动它沿着轨道行驶的“发动机”将是引力势能，即由引力势能转化为动能。又由动能转化为引力势能这样一个不断转化的过程构成的。

引力势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，它的势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，它的势能就不断减少(因为高度下降了)，但它不会消失，而是转化成了动能。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)。这就是为什么要设计成随后的小山丘比开始时的小山丘要低的原因，过山车已经没有上升到像前一个小山丘那样的高度所需要的机械能了。

过山车最后一节车厢是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物，因为下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈，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快速达到和跨越最高点，从而产生一种要被抛离的感觉，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，乘客就会有一种被挤压到轨道上的感觉，因为这时产生了离心力。事实上，这是在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用产生的一种向心力。这种环形轨道是椭圆形的，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，它会慢下来，但如果弯曲的程度较小时，这种现象就会减弱。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。