Question

过山车的原理是甚么？

Answer 1

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。