Американските влакчета са страхотни обекти за изучаване на физика, особено законите на механиката.

Запазване на енергията

Първоначално вагонът, който няма собствено сцепление, се влачи до най-високата част на влакчетата. Това отделяне от Земята води до увеличаване на гравитационна потенциална енергия на вагона. Когато се освободи, вагонът се спуска постепенно, увеличавайки скоростта си. В енергийно отношение си гравитационна потенциална енергия се трансформира в Кинетична енергия, енергията, свързана с движението на телата, с изключение на малка част, която се трансформира горещо поради триене, упражнявано от въздуха и следите. Във възходящите участъци се случва обратното, скоростта намалява с увеличаване на височината на вагона, като по този начин се увеличава гравитационна потенциална енергия за сметка на Кинетична енергия. Малка част от това Кинетична енергия отново става горещо поради триене.

Скорост, ускорение и сила

Един от аспектите, които се вземат предвид при проектирането на влакче в увеселителен парк, е сила че вагонът упражнява върху пътниците. Тази сила не е постоянна, а е свързана с това как скоростта на автомобила и следователно на пътниците се променя по маршрута. Именно увеличаването или намаляването на тази сила, в сравнение с това, което се изпитва в покой или с постоянна скорост, прави карането на влакче в увеселителен парк привлекателно за много хора. изток промяна на скоростта с течение на времето, което може да бъде в неговата величина или в неговата посока, е това, което се нарича ускорение.

В хоризонтални участъци, без да се отчита триенето, скоростта не се променя, следователно няма ускорение. The нетна сила действащ върху човека е нула. Силата, която вагонът прави нагоре върху човека, е равна на силата, която Земята прави надолу, теглото на човека.

В хоризонталните извити участъци, в нехоризонталните прави участъци и в нехоризонталните криви има ускорение тъй като променя съответно посоката на скоростта, големината на скоростта или и двете. Нетната сила, действаща върху вагона, е пропорционална на ускорението и е представена на фигурата в различни точки по маршрута.

влакчета
Нетна сила в различни секции на влакче в увеселителен парк

Цикли

Формата на секциите, които образуват влакче в увеселителен парк, е разнообразна и обикновено има такава с формата на вертикален контур.

Когато обектът описва извито движение, върху него могат да действат няколко сили, но е необходимо сумата от всички тях да бъде насочена към вътрешността на кривата, която описва. Ако тази нетна сила е перпендикулярна на кривата, скоростта само променя посоката, в противен случай скоростта се увеличава или намалява по големина, както се вижда на фигурата.

Нетна сила и промяна в величината на скоростта

Тази нетна сила може да се разложи на две, едната перпендикулярна на кривата, а другата допирателна, по такъв начин, че събраните заедно да са равни на първата.

Компоненти на нетната сила и промяна в величината на скоростта

Извиква се силата, перпендикулярна на кривата центробежна сила y е пряко пропорционален на масата на движещия се обект и на квадрата на величината на скоростта и обратно пропорционален на радиуса на кривината .

Обикновено центростремителната сила се осъществява отчасти от релсата, по която циркулира автомобилът, и отчасти от Земята.

Защо обикновено няма влакчета с кръгли вертикални контури?

Нека първо отговорим на следния въпрос:

Каква е минималната скорост, с която може да се въведе кръгъл вертикален контур, за да се опише напълно?

Когато влизате с тази минимална скорост, центробежна сила в горната част на цикъла също ще бъде минимален. За да се случи това, релсата в горната част не трябва да упражнява сила върху вагона и центростремителната сила в горната част ще бъде направена изключително от Земята: тя ще бъде тегло на вагона, mg. От този факт можете да установите скоростта на вагона в този момент:

Използвайки запазване на енергията, се извежда скоростта в точката на влизане в цикъла. Кинетичната енергия на входа се преобразува отчасти в гравитационна потенциална енергия при достигане на най-високата точка.

Съхранение на енергия

като се вземе предвид какво и какво

Ако това е входната скорост, центростремителната сила на входа ще бъде:

Как Земята прави низходяща сила в този момент, mg, така че центростремителната сила да е 5mg релсата трябва да направи сила от 6 mg на вагона.

Усещането, че това би създало у пътник, е същото, както ако теглото му се умножи по 6. Това също би се случило за кратко време при влизане в цикъла.

Бърза смяна на силата, действаща върху вагона

Клотоидът

Спиралата, наричана още спирала на Ойлер или спирала на Корну, е крива, характеризираща се с нейната кривина, променяща се линейно, докато се движим през нея. Кривината е мярка за това колко различна е кривата от линията и се определя като обратна на радиуса на кривината .

Спирала и лък

Този начин на промяна на кривината го прави подходящ както за вертикалните контури на влакчетата, така и за промяна на посоката на движение по пътищата. При движение през спирална дъга ъгловата скорост, с която трябва да се завърти воланът, е постоянна.

Промяна на посоката с клотоиден лък

Обикновено контурите с влакчета са съставени от две съединени спирални арки, както се вижда на фигурата.

При този тип бримки, центростремителното ускорение, освен че обикновено е по-ниско, отколкото при кръговите, се променя много по-малко, така че свръх ускорението е много по-ниско и неприятните усещания (не за всички) също.