坐过山车理解物理知识

点击次数:   更新时间:2021-01-23 13:53     作者:九州体育

  我们都去过游乐园,对过山车并不陌生。大部分过山车的每个车厢可容纳2人、4人或6人、8人,这些车厢利用勾子相互连结起来,就像火车一样,按照蜿蜒的轨道行驶。由于蜿蜒的轨道,那种惊险、刺激也让很多人为之兴奋、着迷。其实,乘坐过山车不仅能够让我们体验到冒险、刺激的感觉,还可以让我们更好地理解物理学上的很多原理。

  在过山车开始启动后,把一节节小车厢推到最高点靠的是一个机械装置提供的动力,但第一次下去之后,就再也没有任何机械装置提供动力了。也许你会很好奇,那一节节小车厢是靠什么来进行下面的运转呢?实际上,推动一节节小车厢的动力是引力势能,即引力势能和动能之间不断转化的过程。下面我们就具体来讲讲,到底是怎么转化的。

  首先,我们要了解一下什么是引力势能?引力势能通俗来讲就是物体所处的位置高度和由引力产生的加速度而拥有的能量。那么一开始过山车靠着机械装置提供的动力一点点升高,与此同时,过山车的引力势能也在一点点增加,当过山车处于最高点时,引力势能也便达到了最大值。当过山车开始下降时,由于高度的降低,在这一过程中,引力势能是不断减少的。根据能量守恒定律,能量既不会消失,也不会产生,它只是从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在这个转化或者转移的过程中,其总能量是不变的。在这里,减少的引力势能是转化为动能了。而这个动能便是推动过山车继续运行的动力。那减少的势能是全部转化为动能了吗?实际上不是的, 过山车的车轮与轨道是有摩擦的,摩擦会产生热量,而热能便会损耗一部分动能和势能。这样一来,转化的动能不能推动过山车达到之前的高度了。这也就是为什么过山车后面的坡度都比最开始的坡度小的原因。

  下面我们再来看看过山车带给我们的刺激是怎么一回事,体现了什么样的物理原理。首先,我们要明白坐过山车最刺激的车厢在最后面。因为引力作用于过山车中部的质量中心,所以最后面一节车厢达到和通过最高点时的速度都比最前面的车厢要快。这样一来,乘客便会有一种被甩出去的感觉。如果尾部车厢的车轮没有很牢固地扣在轨道上,那么很有可能发生事故,即在最后的车厢达到或者通过最高点时就可能脱轨被甩出去。因此,想要更加刺激就坐在过山车最后面。为什么说最前面的车厢就不是这种情况了呢?因为它的质量中心在它后面,短时间内,它虽然是在下降,但是它要等质量中心越过高点才能被引力推动。

  当沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯时,乘客就会有一种被挤压的感觉。这主要是乘客的惯性速度应该是笔直地向前,但过山车要一直沿轨道行进(不是直的,而是拐弯),使乘客的身体无法按直线运动。

  乘坐过山车时的种种体验跟轨道的路径还有很大关系,圆形的、椭圆形的、蜿蜒盘曲的,都会给乘客各种不同的刺激体验。

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