Fysiken Bakom Din Favorit Rullkustfartyg

Roller coasters kan vara sprit-inducerande spänningsmaskiner, men de är också fascinerande exempel komplex fysik på jobbet.

Att få en sträng bilar genom en knut av droppar, flips, rullar och lanseringar kräver att team av mekaniska ingenjörer analyserar begrepp som krafter, acceleration och energi. För att få en uppfattning om vetenskapen bakom våra favoritrittar, talade vi till Jeffrey Rhoads, en professor vid Purdues skola för maskinteknik och skapare av universitetets rollercoaster dynamik klass.

Slutför kretsen

Låt oss börja med grunderna. Roller coasters, liksom allt annat, måste lyda lagen om bevarande av energi, vilket innebär att tåget bara kan gå så fort och så mycket som den lagrade (potentiella) energin tillåter.

Potentiell energi kommer vanligen från att lyfta tåget uppför en kulle med en kedja eller kabel. När ett tåg färdas nerför en kulle blir den potentiella energin till rörlig (kinetisk) energi; Ju snabbare tåget går desto mer kinetisk energi har den.

Den kinetiska energin vänder sig tillbaka till potentiell energi när bilarna stiger upp efterföljande kullar. Eftersom bilarna nödvändigtvis förlorar lite energi genom krafter som friktion och luftdragning, är den högsta punkten på en traditionell dalbana (tänk: Six Flags Magic Mountain's Goliath eller Twisted Colossus rides) nästan alltid den första kullen. Om det finns en annan stor droppe som kommer högre än den första, lägger konstruktörerna fler hissar (tänk på: den stora droppen i slutet av Disneys Splash Mountain).

Nicole Mays / Flickr (cc av 2.0)

Vissa kustfartyg sjunker längre än 90 grader, böjda inåt på toppen av hissen, som på Valravn i Cedar Point. Fysiken i spel är densamma, men Rhoads säger att dessa droppar kan ge en mer akut känsla av viktlöshet.

Andra kuster, som Six Flags Great Adventure's Kingda Ka eller Cedar Point's Top Thrill Dragster, lagrar sin energi i lanseringar, vätske- eller lufttryckdrivna flipperspelare eller i elektromagneter inbyggda i spåret och bilarna. Starta kustfartyg kräver inte gigantiska lyftkullar (vilket sparar mycket utrymme) och erbjuder en annan form av förväntansfull spänning. "Stora parker vill ha en mängd ryttareupplevelser och starta kustfartyg är ett bra sätt att förändra känslan, säger Rhoads.

Loops, Flips och Turns

Ingenjörer genererar spänning genom acceleration - i grund och botten förändras ryttarnas hastighet på högkonstruerade, onaturliga sätt. Coaster ingenjörer uppmanar Newtons lagar för rörelse att få ryttare att känna de kombinerade krafterna i tyngdkraften och accelerationen, vilket ger en spännande, ovanlig kroppsfaktor. Slingor, korkskruvar och snäva varv tvingar ryttarnas kroppar vertikalt och horisontellt på beräknade sätt.

Någonsin undrar varför loopar är tårformade, snarare än cirkulära? "Utmaningen är att utforma övergångarna in i och ut ur loopen", säger Rhoads. "Du måste se till att du inte inducerar ryck" eller förändringar i acceleration som kan leda till whiplash. Allt som rör sig i en cirkelrörelse upplever en annan typ av acceleration som kallas centripetal acceleration, vilket ökar ju snabbare bilen går, eller ju mindre cirkeln är. En cirkulär slinga skulle orsaka en skott från det plötsliga tillskottet av centripetalaccelerationen. En teardrop-form kontrollerar denna acceleration, lättar ryttaren genom slingan och förhindrar ryck.

Howard Sayer / Getty Images

Och då finns det rullar som kan disorientera ryttare på flera sätt. Inline twists är rullar som roterar tåg runt banan, men hjärtlinje rullar försöker rotera ryttare runt sina kistor. Colossus i Thorpe Park (ovan) är det bästa exemplet på hjärtlinsrullar på jobbet - 90-andra gången har 10-inversioner, inklusive fyra på varandra följande hjärtlinsrullar. "Vi kommer att se fler [coasters med] flera rullar i serie en efter en," sa Rhoads, "för det skapar en enorm mängd desorientering."

Trä Versus Steel

Träkustfartyg kan inte rymma slingor mycket bra, så de är ofta mindre disorienting än sina stålkomponenter. Så varför är det att vissa ryttare föredrar dem? "Människor ... som förväntan, den rickety-ness av dem som förstärker dem lite. De vill känna att strukturen rör sig under dem, säger Rhoads. "Strålkastare är nästan exakt motsatta. Det är som att köra ett antikt fordon jämfört med att köra den senaste sportbilen. "

Los Angeles Times via Getty Images

Träkustfartyg tenderar att inte ha slingor eller rullar, eftersom det skulle ta alltför mycket trä för att stödja kraften hos ett tungt bergståg. Hades 360 på Mt. Olympus i Wisconsin stöder en rulle på träspår med stålställningar.

Next Generation Coasters

Det finns bara så många sätt att du kan flytta människor runt i små vagnar genom att skicka dem upp, ner och upp och ner. Vissa rittbyggare skapar fack som rullar oberoende av bilarna, cirkelaxlarna vinkelrätt mot banan, vilket ger mer flips utan att behöva fler slingor. Du kan verkligen se detta på The Joker vid Six Flags Great Adventure (nedan).

Rollercoaster upplevelser är mer än bara summan av deras accelerationer, dock. Andra byggare lägger till ljus, röker, skickar kustfartyg under jord och lägger till "head" och "foot choppers", nära-men-inte-för-nära stänger som ger ett extra element av spänning och / eller terror. "Det är banan vi ska följa ett tag", sa Rhoads. "Större och snabbare kommer inte att vara möjligt under mycket längre tid."