Светот на физиката Со Исак tonутн на ролеркостер
Ирена Кампа 22.03.2012 година
Секој што вози тобоган може да почувствува колку се големи силите што работат. Бидејќи само тие ја прават можна посебната возбуда од брзи спуштања и јамки. Тие, исто така, осигуруваат дека патниците во последниот автомобил честопати уживаат во најголемото „воздигнувачко“ искуство со ролеркостер.
Класично возење ролери започнува со возење на автомобилот до првиот рид, ридот со лифт, користејќи погонски синџир. Оттогаш тој го продолжува своето патување самостојно. Бидејќи вообичаено возовите со тобогани немаат сопствен погон (со исклучок се прилично ретките бродови со напојување). Енергијата што ја има автомобилот поради неговата висина над земјата се нарекува енергетска енергија или потенцијална енергија и ова мора да биде доволно за целото патување. Енергијата што се движи при движење на автомобилот, т.е. кинетичката енергија, сè уште е многу мала на ридот од лифт. Но, тоа се менува одеднаш кога автомобилот ќе стигне до првиот излез. Како што трча кон земјата, неговата потенцијална енергија се претвора во кинетичка енергија - автомобилот губи висина, но се зголемува во брзината. Кинетичката енергија е најголема, а потенцијалната енергија е најниска во долината. Потоа автомобилот вози по следниот рид и формата на енергија се менува од кинетички назад во потенцијал.
Оваа игра на трансформација го продолжува целото возење со ролеркостер, при што збирот на двете енергии секогаш останува константен. Ако дел од почетната енергија не се претвори во топлина со триење, возењето со ролеркостер може да трае вечно.
Гравитација и забрзување на седиштето на ролеркостер
Забавните паркови продолжуваат да поставуваат нови рекорди во брзината, но брзината сама по себе кажува малку за задоволството во возењето. Она што го прави возењето возбудливо се забрзувањата што влијаат на телото. Физичарот зборува за забрзување не само кога брзината се зголемува, туку и при забавување или промена на насоката на движење, т.е. кога се вртите во свиоци, ридови или долини. Забрзувањето е предизвикано од разни сили. При спуштање, гравитационата сила го забрзува автомобилот. За време на возењето, забрзувањето на автомобилот може да биде исто толку големо како и забрзувањето на телото при слободен пад кон центарот на земјата. На овој начин гравитационата сила е избалансирана. Не можеме да ја чувствуваме сопствената тежина и да се чувствуваме бестежински за кратко време.
Ако автомобилот вози низ долина или кривината, насоката на движење се води од шините на лачната патека. Како резултат, патникот чувствува сила што го турка надолу во долината или кон надвор во свиоците. Оваа сила се нарекува центрифугална сила и е поголема, колку е поголема брзината и толку е посилна кривината. Во сливот, центрифугалната сила и гравитацијата работат во иста насока. Патникот се чувствува значително потежок од вообичаеното.
Ролеркостер тип „Див глушец“
Ако автомобилот вози над врвот на ридот, центрифугалната сила дејствува во спротивна насока. Ако брзината е доволно голема, радијалното забрзување далеку од седиштето, што е предизвикано од центрифугалната сила, може да биде дури и поголемо од забрзувањето поради гравитацијата. Патникот е подигнат на своето седиште и само заградата го држи во автомобилот. Во овој случај, ентузијастот на тобоганот зборува за негативниот g или за „времето за емитување“.
Центрифугалните сили се јавуваат секој пат кога ќе свртите агол. За да ги ублажат нивните ефекти, шините често се наклонети така што патникот не треба да се забрзува настрана, туку на подот на автомобилот. Помалите валјаци од типот „див глушец“, кои често може да се најдат на годишни саеми, се исклучок. Тие имаат голем број многу тесни кривини без наклон на шините. Посетителите овде имаат чувство дека автомобилот е пред излегување од шините.
Автомобил во јамка
Центрифугалната сила е исто така клучна за уште еден спектакуларен елемент на ролеркостер: јамката. Во јамка, автомобилот поминува низ јамка од 360 степени и е наопаку за кратко време. Дури и денес има ролери, каде посетителите се обезбедуваат само со обична шипка за скути. Ова е можно само затоа што центрифугалната сила на највисоката точка на јамката е барем иста како тежината. Потоа делува како „вештачка гравитација“ што го задржува патникот во автомобилот.
Вистински избор на место
Со сето ова знаење за формите на енергија и сили, сега можеме да го испитаме објаснувањето на феноменот што може да се забележи во многу забавни паркови: Зошто редиците за првото и последното седиште се најдолги кога целиот воз секогаш патува со иста брзина? Објаснувањето за предните седишта е едноставно: патникот го чувствува ветерот посилно и има непречен поглед на шините пред него. Само од таа причина, патувањето му се чини побрзо. Сепак, другите ефекти се важни за задните седишта.
Досега, секогаш размислувавме за еден автомобил според нашите размислувања, за кој претпоставувавме дека е толку мал што неговата големина не е важна. Меѓутоа, на ролеркостер, многу често има долги возови кои се состојат од неколку автомобили. Автомобилите вршат дополнителни сили едни на други. Можете да се туркате едни со други или да ги повлечете другите зад вас. Се разбира, сите вагони во возот имаат иста брзина во секое време, бидејќи тие се цврсто поврзани едни со други. Брзината што ја има автомобилот во одредена точка на патеката може да се разликува од онаа на друг автомобил кога беше на истото место.
Избор на место во ролеркостер
Да речеме, нашиот воз-ролеркостер се состои од пет автомобили. Тој во моментот е на ридот од лифт и полека се движи кон спуштањето поради малата наклонетост на шините. Првиот автомобил вози лежерно над врвот на ридот. Тогаш тежината на првиот автомобил го забрзува целиот воз. Со секој автомобил што го преминува врвот на ридот, ефективната сила се зголемува. Кога последниот автомобил е на врвот, возот за ролери веќе достигна голема брзина. Поголемо забрзување делува на патникот на овој автомобил отколку на патниците на предниот автомобил, бидејќи центрифугалното забрзување се зголемува со квадратот на брзината. Значи, тој го чувствува посакуваното време за време на првото и највисокото спуштање поинтензивно од другите.
Целиот воз продолжува да се зголемува со брзина се додека средниот вагон не го погоди дното на долината. Во овој момент, два автомобила се веќе на искачување, а два се уште се во спуштање. Силите на тежината на задниот дел, кои го забрзуваат возот и оние од предната страна, што го сопираат возот, се откажуваат едни со други, под услов возот да биде рамномерно натоварен. Средниот автомобил патува низ долината со најголема брзина, поради што на неа дејствуваат најсилните позитивни g-сили. Тогаш возот забавува сè додека средината на возот не го помине следниот рид и играта започнува одново. Средните автомобили се најбавни на ридовите и најбрзи по котлините, па затоа се помалку популарни кај возачите на ролери, од надворешните автомобили.
Правилото дека возењето со задниот автомобил е повозбудливо од средното се однесува особено на ролери, со долги возови и многу елементи за време на времето. На патишта со многу инверзии, т.е. надземни елементи, другите курсеви може да ветуваат позабава. Ако автомобилите имаат повеќе од две места по ред, забележливи се разликите дури и тука. На пример, патниците на надворешните седишта поминуваат подолги растојанија во иста количина на време како и оние во центарот кога спиралаат и затоа подлежат на поголеми забрзувања.
Како темпото на ролери забавува - а понекогаш и полетува
После толку класична механика, ајде да разговараме за модерната технологија на ролери. Возовите со тобогани можат да тежат неколку тони и да достигнат брзина поголема од 120 километри на час. Нормалните сопирачки, кои работат според принципот на триење, подлежат на исклучително високи нивоа на абење со такви барања. Но, постојат и технологии за безконтактно сопирање кои работат на принципот на електромагнетна индукција.
Првично, овие сопирачки од вртливата струја се користеа во кулите со слободен пад. Тука полека се влече гондола со патниците до голема висина. Откако ќе се најде на врвот, се ослободува, а потоа се спушта целосно слободно. Силни постојани магнети се прицврстени на накелот, а во долната област на кулата има ножеви за сопирачки изработени од проводен материјал. Кога накелот ќе влезе во оваа област, магнетите предизвикуваат вртливи струи во спроводниците. Овие струи повторно формираат магнетно поле кое е спротивно на каузалното магнетно поле (правило на индукција на Ленц). Потоа, гондолата се сопира. Колку побрзо се движат спроводникот и магнетното поле едни против други, толку е поголема силата на сопирање.
Витална придобивка од овие сопирачки е тоа што тие функционираат совршено дури и во случај на прекин на струјата. Енергетските сопирачки „Еди“ се користат и на ролери, од 90-тите години на минатиот век Магнетите обично се наоѓаат на шината и сечилата на сопирачките на автомобилот. Нормалните сопирачки за триење се уште се неопходни, бидејќи магнетните сопирачки работат само кога има релативно движење помеѓу магнетот и спроводникот, т.е. тие не можат да го доведат возот до целосен застој или да го држат на падина.
Најбрзиот ролеркостер во светот
Правилото за индукција на Ленц се користи и во современите погонски системи. Во прилог на синџирот лифт, постои можност да се даде на возот доволно енергија за патување со лансирање на катапулт. Овој тип на патека се користи од средината на 1990-тите и воведувањето на LIM (линеарен индукциски мотор) во конструкцијата на ролеркостер. Ролеркостерот може да се забрза скоро од стоечка позиција на хоризонтална патека. Принципот на ЛИМ го следи принципот на наизменична струја, освен што тука се создава линеарно наместо ротирачко движење.
Во едноставни термини, калемите се прицврстени на шините на кои се применува наизменична струја. Ова создава „патувачко поле“ слично на бран што се движи по шините. На автомобилите со ролеркостер се прицврстени скали мечеви, во кои магнетното поле предизвикува вртливи струи. Се создава спротивставено поле. Одвратниот ефект на обете магнетни полиња се користи на таков начин што магнетното поле на автомобилот се повлекува од патувачкото поле. За да може ова да работи воопшто, потребна е комплексна технологија за електрична контрола и мерење на позицијата на автомобилот со милиметарска прецизност. Покрај тоа, потребни се огромни количини на енергија за кратко време, што може да ја испита електричната мрежа на забавниот парк. Значи, постојат многу предизвици што треба да се совладаат, но чувството на возење кога автомобил со тежина од тони се забрзува на околу 100 километри на час за неколку секунди, вреди да се вложи за многу забавни паркови.
Сепак, записите за брзина не можат да се постигнат со овој систем. Ова би барало многу големи количини на енергија да бидат достапни за многу кратко време, со што напојувањето на паркот нема да може да се справи. Во моментов најбрзиот ролеркостер во светот, „Формула Роса“ во Дубаи, забрзува до 240 километри на час за 4,9 секунди. Хидрауличен погон е одговорен за ова, во кој количината на енергија се компресира подолг временски период и потоа ненадејно се ослободува на почетокот.
Забрзување и g-сили
Според вториот закон на tonутн, забрзувањето на телото може да се пресмета од односот на силата што дејствува врз него до неговата маса F = m · a. Затоа поимите сила и забрзување често се користат синонимно. Забрзувањето заради гравитацијата во нашите географски широчини има вредност g = 9,81 m/s.
Со цел подобро да се замисли силата што предизвикува забрзување, таа се изразува како множител од забрзувањето поради гравитацијата. Еден тогаш зборува нешто погрешно за g-силите. Со „сила“ од 3g, трипати поголема од неговата тежина делува на тело. Забрзувања до 6g може да се појават накратко во ролери. Забрзувањата кои се премногу силни или траат премногу долго можат да ја туркаат крвта од мозокот во нозете, предизвикувајќи затемнување. Телото не може толку добро да се справи со страничните забрзувања, поради што тие се законски ограничени на максимум 2g.
Негативните g-сили ја активираат познатата чувство на пецкање во стомакот на патниците. Бидејќи нашето тело не е цврста, крута структура, но се состои од многу органи кои се релативно лабаво „суспендирани“. Ако гравитационото забрзување очигледно е откажано, органите повеќе не се притискаат едни на други, но секој орган се движи во слободен пад, така да се каже. Покрај пецкање, ова може да доведе до гадење кај некои патници.
Центрифугална сила и центрипетална сила
Терминот центрифугална сила е познат во секојдневниот живот по силата што дејствува при свиоците. Физичарот често зборува за центрипеталната сила. Двете сили се еднакви по големина, но дејствуваат во различна насока. Тие ја опишуваат истата појава, единствената разлика е во гледна точка на набудувачот. Центрипеталната сила е сила што присилува тело на закривена патека. Шините се одговорни за ова на ролеркостерот. Наб obserудувач кој стои пред ролеркостерот може да види како автомобилите се насочуваат на нивната патека.
Центрифугалната сила, од друга страна, е таканаречена очигледна сила што се јавува во забрзаните референтни рамки. Патникот на ролеркостерот има чувство дека сила го турка нанадвор во кривината. Она што го чувствува е инерција на неговото тело во однос на промената на правецот. Бидејќи центрифугалната сила е повеќе во согласност со реалното искуство на ролеркостер, овој термин ќе се користи во статијата.