Как работают американские горки | Наука о американских горках

Содержание

1 Энергия на американских горках
2 Почему американские горки такие высокие?
- 2.1 А как насчет тормозов?
3 Силы в поездке на американских горках
- 3.1 Насколько велики силы на американских горках?
4 Американские горки в прошлом и настоящем
5 Наука риска: безопасны ли американские горки?
6 Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать
7 Узнать больше
8 Рекомендации

Мы не все можем быть гонщиками или астронавтами. Не все могут нырнуть
на дно моря или подняться на Эверест. Но мы все можем покататься на
американских горках и узнать, каково это — довести себя
до предела. Вы можете подумать, что американские горки — это испытание
вашего тела, но ваш разум тоже тренируется: ментальная
психология страха делает весь физический опыт гораздо более захватывающим. Давайте подробнее рассмотрим науку экстремальных
аттракционов!

Фото: Американские горки превращают физику в развлечение! Фотография аттракциона в Санта-Круз, Калифорния, из коллекции фотографий Калифорнии Джона Б. Лавлейса в проекте «Америка» Кэрол М. Хайсмит, предоставлено Библиотекой Конгресса, Отделом эстампов и фотографий.

Энергия на американских горках

Вы когда-нибудь задумывались, почему у американских горок нет двигателей? Транспортным средствам не всегда нужна такая мощность, чтобы двигаться. Но им нужна
энергия какого-то рода. Перед началом поездки на американских горках
электрическая лебедка заводит машины на вершину первого холма. Это может занять некоторое время, потому что некоторые американские горки стартуют на высоте около 100 м (330 футов) в воздухе!

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу: Секира против алебарды: лучшее руководство

Лебедка должна использовать энергию, чтобы
тянуть американские горки на холм, но эта энергия просто так не
исчезает. Вагончики американских горок запасают ее, просто находясь в воздухе
, — и чем выше они, тем больше энергии они запасают. Они будут
использовать ту же энергию, чтобы спуститься с холма, когда начнется поездка.
Поскольку у них есть возможность (или потенциал) использовать в будущем
энергию, которая была запасена в прошлом, мы называем энергию, которую они
запасают, потенциальной энергией.

Фото: То, что падает, должно подняться! Кинетическая энергия, которая заставляет вагончик американских горок двигаться с большой скоростью, исходит из потенциальной энергии, которую вагончик набрал, когда его подняли на вершину самого первого холма на аттракционе.
Фотография американских горок Jet Star, Сисайд-Хайтс, Нью-Джерси, сделанная Джоном Марголисом, предоставлена
архивом фотографий Roadside America Джона Марголиса (1972–2008), Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Как только все на борту, автомобили отпускаются и начинают катиться
вниз. Когда они огибают вершину первого холма, сила тяжести
заставляет их мчаться вниз, поэтому они ускоряются (набирают
все большую и большую скорость). По мере ускорения их потенциальная энергия
превращается в кинетическую энергию (энергию, которой обладают предметы, потому что
они движутся). Чем дальше они спускаются с холма, тем быстрее они
едут, и тем больше их первоначальной потенциальной энергии преобразуется
в кинетическую энергию.

В начале поездки вагончики имеют определенное количество
потенциальной энергии. Больше этой энергии у них быть не может, как бы
долго ни длилась поездка. На протяжении поездки они постоянно
обмениваются потенциальной и кинетической энергией. Каждый
раз, когда они мчатся вверх по холму, они получают больше потенциальной энергии (поднимаясь
выше в воздух), но они компенсируют это, теряя
также часть кинетической энергии (замедляясь). Вот почему вагончики американских горок
всегда едут медленнее на более высоких участках поездки и быстрее на более низких.

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу: Куриный суп с халапеньо поппер — наш новый фаворит в этом классическом приложении

Теоретически этот процесс может продолжаться вечно, и поездка никогда не
закончится. Но на практике часть потенциальной энергии,
с которой автомобили начали движение, постоянно расходуется на трение, когда колеса
трутся о рельсы. Сопротивление воздуха
также забирает большую часть энергии. Даже дребезжащий шум, который издают американские горки, расходует
часть их энергии. Автомобили теряют все больше и больше своей первоначальной
энергии, чем дольше продолжается поездка, и, поскольку у автомобилей нет
двигателей, нет возможности ее восполнить. Вот почему петли на
американских горках всегда становятся все меньше и меньше. Вот почему
поездки на американских горках всегда рано или поздно заканчиваются. У
автомобилей просто заканчивается энергия.

Произведение искусства: Как энергия и силы изменяются во время катания на американских горках. Чтобы узнать больше о центростремительной
силе — силе, которая заставляет вещи вращаться по кругу, — пожалуйста, ознакомьтесь с нашей статьей о
центрифугах.

Почему американские горки такие высокие?

Чтобы сделать американские горки быстрыми, нужно сделать их
высокими. Важный закон физики, называемый законом сохранения энергии, гласит, что максимальная кинетическая энергия, которую могут иметь вагоны, когда они едут на максимальной
скорости, не больше максимальной потенциальной энергии, которая у них была, когда они только начали движение.

Фото: Высокие американские горки — это быстрые американские горки.
Фотография Большой белой акулки в Уайлдвуде, Нью-Джерси, из проекта «Америка» Кэрол М. Хайсмит в Архиве Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Два простых уравнения помогают нам определить, насколько быстро могут ехать вагончики на американских горках.

Мы можем вычислить потенциальную энергию для чего-то, находящегося в воздухе, используя уравнение:

м × г × ч

где m — масса объекта, g — ускорение свободного падения, а h — его высота.

Мы можем вычислить кинетическую энергию движущегося тела, используя другое уравнение:

½ × м × в ²

где m — его масса, а v — его скорость (грубо говоря, скорость).

Если предположить, что автомобили преобразуют всю свою потенциальную энергию в кинетическую,
то оба уравнения должны быть равны, поэтому мы получаем, что:

м × г × ч = ½ × м × v ² , или

v2 ⁼ 2 × g × h.

Другими словами, v — это квадратный корень из 2 × g × h. Из этого видно, что масса американских горок не влияет на их скорость: важна только их высота .

Для американских горок на высоте 100 м максимальная скорость составляет квадратный корень из 2000 или ~45 метров в секунду, что составляет 162 км/ч или 100 миль/ч. Это может показаться абсурдно быстрым, но самые быстрые аттракционы в мире на самом деле достигают именно таких скоростей.

Поскольку максимальная скорость меняется в зависимости от квадратного корня высоты, то, если вы удвоите высоту американских горок, вы не удвоите скорость. Если вы хотите удвоить скорость 100-метровой горки, вам нужно будет учетверить высоту. Используя наше простое уравнение, вы можете увидеть, что 400-метровая горка может развить скорость ~90 м/с, 320 км/ч или 200 миль/ч.

А как насчет тормозов?

Если у вагончиков американских горок все еще есть запас энергии, когда они достигают конца поездки, их можно быстро остановить
тормозами. На борту нет машиниста, который мог бы применить обычные гидравлические тормоза, поэтому
тормоза должны быть полностью автоматическими. На старых американских горках обычно есть какой-то фрикционный тормоз на рельсах, который останавливает поезд, когда он пытается по ним проскользнуть. Современные американские горки имеют другие (и обычно более надежные)
вихретоковые тормоза, которые используют магниты для создания тормозного усилия, когда поезд проезжает мимо.

Фото: Вихретоковые тормоза (черные), установленные на боковой стороне трассы американских горок (зеленые).
Фото Стефана Шеера предоставлено Wikimedia Commons, опубликовано по лицензии Creative Commons.

Силы в поездке на американских горках

Энергия — это то, что делает поездку на американских горках длительной, но именно силы
делают ее такой захватывающей. Вы не можете видеть силы, толкающие и тянущие ваше тело, когда
вы мчитесь по трассе. Но именно силы отбрасывают вас назад.
Именно силы заставляют вас чувствовать себя легким как воздух в одну минуту и
тяжелым как камень в следующую. Именно силы надежно удерживают вас на
сиденье, когда вы внезапно начинаете вращаться вверх ногами.

Где бы вы ни находились в поездке,
на ваше тело всегда действует множество различных сил. Самая большая сила, которую вы чувствуете, — это ваш вес, а также
вес автомобилей и других людей в поездке. Весь этот вес не
просто тянет вас прямо вниз. Он тянет вас вперед, когда вы мчитесь
вниз по склону, и назад, когда вы поднимаетесь. Есть и другие силы, которые
тоже работают. Сопротивление воздуха давит на ваше лицо и конечности. Также существует
сила трения между автомобилями и трассой. И поскольку
вы давите на сиденье своим телом, оно давит на вас обратно вверх.
Все эти силы, действующие на вас, никогда не находятся в полном
равновесии — вот почему вы мчитесь вниз по трассе, почему машина дребезжит и почему вы
так сильно трясетесь.

Фото: Вам придется надеть ремни безопасности, чтобы удержаться на сиденье, когда вас швыряет и делает петлю. Но это все часть веселья.
Согласно третьему закону движения Исаака Ньютона, когда вы нажимаете на ограничители сиденья,
они давят на ваше тело. Все эти силы, толкающие вас в одну и другую сторону, только добавляют удовольствия!
Фото Мэтта Д. Шварца предоставлено ВВС США и
Национальным
архивом США.

От момента к моменту силы, которые вы чувствуете, никогда не бывают одинаковыми — и
именно поэтому поездка такая непредсказуемая и захватывающая. Когда вы делаете
мертвую петлю, направление, в котором вы движетесь, всегда меняется.
Это означает, что силы, которые вы чувствуете, также меняются от одной секунды к
другой. Входя в петлю, вы едва ли чувствуете какую-либо силу вообще. Когда
вы начинаете подниматься, вы чувствуете, как огромная сила тянет вас назад.
Сила становится все сильнее и сильнее. На вершине петли вы
чувствуете, что вот-вот упадете со своего места. Затем сила
постепенно снова слабеет, когда вы возвращаетесь на прямую.

Насколько велики силы на американских горках?

Мы измеряем силы, сравнивая их с силой тяжести, или g. В данный момент вы чувствуете силу
около 1g, сидя в кресле. Сила в два раза больше
силы тяжести — 2g, в четыре раза больше — 4g и так далее. Самая
большая сила, которую вы, вероятно, почувствуете на типичных американских горках, составляет не более
2–3,5g, хотя некоторые аттракционы заявляют, что достигают 5–6g.
[1]
Для сравнения, пилот реактивного истребителя чувствует силу
около 9g, а рекордная сила g,
выдержанная человеком в экспериментальном тесте
(полковник Джон П. Стэпп), составляет 46,2g! Но точное количество силы, которую вы чувствуете, зависит от того,
где вы находитесь на аттракционе и насколько крута трасса в этот
момент. Самая большая сила возникает, когда вы только начинаете движение вниз по
склону. Сила самая низкая в углублениях между холмами. (Ваша
скорость имеет совершенно противоположную картину: она самая низкая, когда вы
только что преодолели холм, и самая высокая на впадинах между холмами.)

Диаграмма: Американские горки создают значительные перегрузки (красный цвет), но они находятся в пределах того, что человек может безопасно выдержать.
[2]

Силы, которые вы чувствуете, также зависят от того, где в поезде
вы сидите. Если вагонов много и поезд довольно длинный,
разные вагоны могут находиться в разных
точках пути. Передние вагоны могут мчаться вниз по склону, в то время как
задние вагоны все еще поднимаются за ними. Все вагоны сцеплены
вместе, поэтому передние вагоны тянут задние с одинаковой
скоростью. Но силы, действующие на людей, сидящих в разных вагонах, могут быть
совершенно разными. Когда передний вагон едет по склону, он едва
движется. Иногда он едет так медленно, что вы задаетесь вопросом, доберется ли он вообще
до вершины. Затем, когда он начинает мчаться вниз по склону, он тянет за собой
другие вагоны за собой. Когда задний вагон начинает подниматься через несколько
секунд, он очень быстро взлетает по склону — и вы
почти вылетаете из своего сиденья. Когда задний вагон мчится по склону, вы
чувствуете себя невесомым в течение секунды или двух. Вот почему для получения чистейшего
удовольствия лучше всего садиться в задний вагон.
Но если вам нравится хороший обзор, садитесь спереди!

Американские горки в прошлом и настоящем

Если американские горки напоминают вам сани, то это неудивительно.
Первые американские горки были построены зимой в России в XIV
и XV веках. Это были огромные глыбы льда с выдолбленными
в них отверстиями, выстланные мехом и соломой для сидений. Глыбы скользили
по деревянному каркасу, который опрыскивался водой, чтобы сделать его действительно ледяным
.

Сегодняшние американские горки в основном сделаны из металла, с достаточным количеством стальных балок в типичных американских горках, чтобы сделать около 1000–2000 вагонов.
[3]
Весь этот металл делает конструкцию невероятно прочной: вагоны могут ездить быстрее и
иметь более крутые повороты и более высокие петли и все еще путешествовать в полной
безопасности. Вагоны сделаны из стали, как и рельсы, и, в отличие от
своих ледяных российских предшественников, они больше похожи на поезда, чем
на сани. У них есть два набора колес, которые движутся как над, так и под
рельсами (именно так они остаются на рельсах, когда едут
вверх дном).

Некоторые современные американские горки до сих пор строятся
из дерева, и, хотя вы можете подумать, что это небезопасно, это
идеально продуманная часть развлечения: идея в том, что рельсы
гремят, трясутся и стонут, чтобы заставить вас почувствовать еще больший страх!

Фото: Многие считают, что классические деревянные американские горки — лучшие.
Это рекордный аттракцион Son of Beast в парке развлечений King’s Island, Мейсон, Огайо. Он может выглядеть как что-то из прошлого века, но был открыт только в 2000 году
(окончательно закрылся в 2012 году). Фото Кэрол М. Хайсмит, любезно предоставлено
Архивом Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отделом печати и фотографий.

Наука риска: безопасны ли американские горки?

В любом другом месте все эти крики и вопли могли бы стать причиной беспокойства. Но в парке развлечений мы ожидаем именно этого. Американские горки, которые не заставляют вас кричать, не стоят того, чтобы на них кататься. Вы почувствуете себя обманутыми; вы даже можете потребовать вернуть свои деньги! Но идеальные американские горки должны обмануть наш разум, заставив его думать, что он находится в непосредственной опасности, и при этом обеспечить безопасность нашего тела в любое время. Когда на американских горках происходят несчастные случаи, люди, как и следовало ожидать, расстраиваются и беспокоятся. Аттракционы — это места, куда семьи приходят развлекаться, а не для того, чтобы столкнуться с настоящим ужасом и катастрофой.

Фото: Американские горки пугают наш мозг, но при этом защищают наше тело.
Фотография Ferrari World в Дубае, сделанная Яном Кинкэдом, предоставлена ВМС США и
DVIDS.

Психология: враг или друг?

Американские горки искусно спроектированы, чтобы максимизировать страх; они в равной степени касаются человеческой психологии и физики преобразования энергии. Но психология может и делает трюки. Мы любим американские горки, потому что они кажутся более опасными, чем они есть на самом деле. Но когда в парке развлечений случается несчастный случай, газеты и телевидение убеждают нас, что такие аттракционы действительно опасны. Психология, которая привлекает нас к американским горкам, работает наоборот — и заставляет нас оставаться дома!

Так насколько же безопасны американские горки на самом деле? Ответить на этот вопрос не более разумно, чем ответить на вопрос «Насколько безопасно переходить улицу?» Это зависит от улицы, от того, как вы ее переходите и когда вы это делаете. Исследуя эту тему, я нашел в сети новостной материал, в котором говорилось, что риск попасть в аварию на американских горках выше, чем риск подвергнуться нападению акулы. Большинство людей, живущих и работающих в городах, не подвержены риску нападения акул, так что же нам говорит это сравнение? Не очень много. Вместо того чтобы помочь нам понять, является ли риск тем, на который мы чувствуем себя комфортно, он играет с психологией еще один хитрый трюк: он сравнивает одну вещь (инстинктивно воспринимаемую большинством людей как опасную — акулы) с другой (о которой у нас инстинктивно нет достоверной информации — американские горки).

О чем говорят нам цифры?

Легко перечислить все несчастные случаи и смертельные случаи, которые когда-либо случались в парках развлечений, и сделать вывод, что американские горки «опасны». Но насколько они опасны по сравнению с повседневными рисками, которые мы с радостью переносим? В новостном репортаже, сравнивающем американские горки с акулами, говорится: «Число смертей на американских горках также относительно велико». Но относительно чего ? По сравнению с чтением книги или по сравнению с прыжками с парашютом?

Диаграмма: Почти половина погибших на американских горках (синяя) имела заболевание, которое могло бы убить их в любом случае. Около четверти (желтая) были операторами аттракционов. Только около четверти (красная) погибли в результате несчастного случая на аттракционе, который становится сенсационным в СМИ. Нарисовано с использованием данных Пеллетье и Гилкриста, 2005. (Цифры округлены в оригинальном исследовании, поэтому они не составляют в сумме 100 процентов.)

Согласно 10-летнему научному исследованию несчастных случаев на американских горках (Roller coaster related fatalities, United States, 1994–2004, AR Pelletier и J. Gilchrist, опубликовано в 2005 году), «примерно четыре смерти ежегодно связаны с американскими горками». Сравните это с числом смертей ежегодно от всех форм случайных травм (130 557), падений (30 208), дорожно-транспортных происшествий (33 804) и случайных отравлений (38 851) [Источник: Accidents or Unintentional Injuries, Center for Disease Control and Prevention, 2013.] Это не точное сравнение (гораздо больше людей регулярно пользуются автомобилями, чем катаются на американских горках, поэтому можно было бы ожидать, что число смертей будет больше), но, по крайней мере, это осмысленное сравнение: мы
все довольно хорошо представляем, насколько безопасны автомобили для большинства людей большую часть времени.

Возможно, еще более показательно, что только около четверти (28 процентов) людей, погибших на американских горках (перечисленных в этом исследовании), погибли от травм, полученных на самих аттракционах .
Исследование показало, что «примерно половина смертей, связанных с американскими горками, происходит из-за заболеваний у людей без внешних признаков травм». Другими словами, это люди, которые перенесли такие вещи, как кровоизлияния в мозг или сердечные приступы, которые вполне могли бы убить их при других обстоятельствах (примерно треть этих людей уже знали о своих собственных заболеваниях). Остальные были работниками аттракционов, погибшими из-за сбоев в работе безопасности. На американских горках катается на миллионы больше людей , чем управляющих ими, но относительное количество смертей составляет 2:1. Тогда логично, что вы должны больше беспокоиться о безопасности американских горок, если вы работаете с ними каждый день, чем если вы просто катаетесь на них время от времени, но даже здесь абсолютный риск довольно мал: операторы американских горок не умирают сотнями и тысячами.

Урок здесь научный. Когда люди спрашивают: «Что-то безопасно?», хорошенько подумайте, что это на самом деле значит. Что мы подразумеваем под безопасностью? Безопасно для кого? Как осмысленно измеренный риск соотносится с сопоставимыми, повседневными рисками? Что говорят нам доказательства, когда мы смотрим более внимательно? Не принимайте сенсационные сообщения СМИ за чистую монету: подумайте о науке, подсчитайте цифры и убедитесь сами.

дальнейшее чтение

Как понять риск за 13 кликов, Майкл Бластленд, BBC News, 11 марта 2009 г. Эта простая статья объясняет, как сенсационное освещение в СМИ может преувеличивать реальные, повседневные риски.
«Хроники Нормы: Истории и цифры об опасности»
Дэвида Шпигельхальтера и Майкла Бластленда. Profile Books, 2013. Эта превосходная, очень легко читаемая книга расширяет повседневную математику риска.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

Центрифуги
Энергия
Законы движения

Статьи

Американские горки 2019: на чем покататься, автор Мекадо Мерфи, The New York Times, 18 июля 2019 г. Yukon Striker и аттракцион в стиле Гарри Поттера — одни из последних захватывающих аттракционов в Северной Америке.
Самые захватывающие американские горки 2018 года, Мекадо Мерфи, The New York Times, 25 июля 2018 г. Обзор четырех самых захватывающих аттракционов в Соединенных Штатах на сегодняшний день.
«Острые ощущения и озноб» Эрика Минтона, Psychology Today, 1 мая 1999 г. Какую роль психология играет в том, чтобы сделать американские горки более захватывающими?

Деятельность

Проверьте физику с помощью самодельных американских горок, Годвин Моррис и Пола Фриш,
The New York Times, 7 ноября 2020 г. Сопоставьте физику американских горок с текстом, используя газетные рулоны и желоба.
Постройте бумажные американские горки Бена Финио, Science Buddies. Это немного более сложная деятельность, также включающая сложенную бумагу.

Книги для юных читателей

Они, как правило, рассчитаны на возраст 9–12 лет.

Американские горки

«Американские горки: от концепции до потребителя» Кевина Каннигема. Scholastic, 2013. Карьерное руководство, в котором рассказывается о том, каково быть дизайнером или инженером американских горок.
«Самые дикие американские горки в мире» Майкла Бергана. Capstone Press, 2001. Как на самом деле работают американские горки? Эта 48-страничная книга кратко освещает науку, а также историю деревянных и металлических горок.

Наука

Все о физике Ричарда Хаммонда. Дорлинг Киндерсли, 2015. Забавный взгляд на физику для юных читателей, ранее опубликованный под названием « Можете ли вы почувствовать силу» . (Если вам интересно, я был одним из консультантов и соавторов этой книги.)
Энергия Криса Вудфорда. Дорлинг Киндерсли, 2007. Еще одна из моих книг. Эта книга исследует, что именно означает «энергия». Откуда она берется и как она питает все в нашем мире?
«Сила и движение» Питера Лафферти. Дорлинг Киндерсли, 2000. Одна из превосходных книг DK Eyewitness, в которой наука, технологии и история изучаются бок о бок.

Книги для читателей старшего возраста

Парк развлечений: 900 лет острых ощущений и приключений, а также мечтатели и интриганы,
которые их построили, Стивен М. Сильверман, Running Press, 2019.
900-летняя история ярмарок и других аттракционов.
Ticket To Ride: The Essential Guide to the World’s Greatest Roller Coasters and Thrill Rides, Патрик Хук. Chartwell, 2019. Путеводитель по истории и эволюции захватывающих аттракционов.
Лучшие американские горки и парки развлечений: (Руководство для тех, кто на них катается, и советы для тех, кто их боится) Пита Трабукко. Tate Publishing, 2009. По сути, это путеводитель по американским горкам в Соединенных Штатах.
«Американские горки 101: руководство инженера по проектированию американских горок» Ника Вайзенбергера, CreateSpace, 2012. Увлекательный взгляд на азы и тонкости проектирования американских горок.