过山车的原理是甚么?
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过山车的物理 当你在游乐场乘过山车正以时速近一百公里奔驰之际,你会否想起:为甚么过山车不需要引擎来推动?乘坐过山车时,为甚么我们倒转了却不会掉下来? 第一个问题与能量守恒原理有关。能量可以有许多种不同的形态,例如动能、位能、声能和热等。当你乘上过山车,藉著机械和齿轮的推动,过山车会被带到很高的位置。相对于地面,过山车有很大的位能 。离地面越高,位能越大。在经过了最高点之后,过山车便开始下滑,速度和动能逐渐增加。基于能量守恒定律,位能会减少,并转化为动能。 当过山车经过了第一个「山谷」时,它具有很大的动能,所以仍能冲上第二个「山」。根据能量守恒原理,过山车可以攀上的高度,与起始滑下时的高度一样。但是,由于机件之间的磨擦,过山车的总机械能量便会减少。因此,许多过山车轨道的第一个「山」是最高的,之后的便越来越矮。 第二个问题,则与向心力有关,原理较复杂。根据牛顿第一定律,在没有外力的影响下,物体会沿直线作均速运动。如果过山车没有受外力作用,就会沿轨道切线的方向运动 。但既然过山车会转弯,就必定有力的作用。假设过山车的质量是 ,正以速度 前进,而过山车的轨道是个半径为 的圆形,那么所需的向心力便是 。问题是,这个力从何而来? 为了简单起见,让我们考虑过山车在最高点的情况 。如果过山车在最高点仍有很高的速度 ,转弯所需要的向心力 便会比较大。过山车本身的重量 固然可提供部分的向心力,但假如所需的向心力比车的重量大 ,部分所需的向心力便要由路轨给予过山车的反作用力 提供,两部分加起来我们有 。此时如果速度 越大,过山车与路轨之间的相互作用力也越大,它便越紧贴著路轨,不会掉下来。相反,如果过山车的速度 较低,作用力就会较小甚至接近零,过山车便很容易掉下来了。换句话说,过山车不会掉下来,是因为它有很高的速度。
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