รถไฟเหาะอาจเป็นเครื่องเขย่าอาเจียนและน้ำตาไหล แต่ก็เป็นตัวอย่างที่น่าสนใจของฟิสิกส์ที่ซับซ้อนในที่ทำงาน

การรับรถหลายคันผ่านการหยด พลิก ม้วน และปล่อยต้องใช้ทีมวิศวกรเครื่องกลในการวิเคราะห์แนวคิด เช่น แรง การเร่งความเร็ว และพลังงาน เราได้พูดคุยกับ Jeffrey Rhoads ศาสตราจารย์แห่ง School of Mechanical Engineering ของ Purdue และผู้สร้างคลาสรถไฟเหาะของมหาวิทยาลัยเพื่อให้ได้แนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังเครื่องเล่นสุดโปรด

จบวงจร

เริ่มจากพื้นฐานกันก่อน รถไฟเหาะจะต้องปฏิบัติตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เช่นเดียวกับทุกอย่าง ซึ่งหมายความว่ารถไฟสามารถไปได้เร็วและเท่าที่ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ (ศักยภาพ) อนุญาตเท่านั้น

พลังงานศักย์มักจะมาจากการยกรถไฟขึ้นเขาด้วยโซ่หรือสายเคเบิล เมื่อรถไฟวิ่งลงเขา พลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ยิ่งรถไฟวิ่งเร็วเท่าไหร่ก็ยิ่งมีพลังงานจลน์มากขึ้นเท่านั้น

พลังงานจลน์จะเปลี่ยนกลับเป็นพลังงานศักย์เมื่อรถเคลื่อนตัวขึ้นไปบนเนินเขาที่ตามมา เนื่องจากรถยนต์จำเป็นต้องสูญเสียพลังงานบางส่วนจากแรงเช่นแรงเสียดทานและแรงต้านอากาศ ซึ่งเป็นจุดสูงสุดบนรถไฟเหาะแบบดั้งเดิม (ลองคิดดูว่า: Six Flags Magic Mountain's โกลิอัท หรือ Twisted Colossus ขี่) มักจะเป็นเนินเขาแรกเสมอ หากมีการลดลงครั้งสำคัญอื่นมาสูงกว่าครั้งแรก นักออกแบบก็เพิ่มลิฟต์เพิ่มเติม (คิดว่า: การลดลงครั้งใหญ่ที่ส่วนท้ายของ Splash Mountain ของดิสนีย์)

จานรองแก้วบางอันหล่นลงไปมากกว่า 90 องศา โค้งเข้าด้านในที่ด้านบนของเนินลิฟต์ เช่น บน Valravnrav ในซีดาร์พอยต์ ฟิสิกส์ในการเล่นนั้นเหมือนกัน แต่ Rhoads กล่าวว่าการหยดเหล่านี้สามารถให้ความรู้สึกไร้น้ำหนักที่รุนแรงยิ่งขึ้น

จานรองแก้วอื่น ๆ เช่น Kingda Ka ของ Six Flags Great Adventure หรือ Top Thrill Dragster ของ Cedar Point เก็บพลังงานไว้ในปืนกล ลูกสูบพินบอลที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลวหรือแรงดันอากาศ หรือในแม่เหล็กไฟฟ้าที่ติดตั้งในลู่วิ่งและรถยนต์ ที่รองแก้วเปิดตัวไม่จำเป็นต้องใช้เนินยกขนาดยักษ์ (ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่ได้มาก) และมอบความตื่นเต้นแบบคาดไม่ถึงอีกแบบหนึ่ง สวนสาธารณะขนาดใหญ่ต้องการประสบการณ์ที่หลากหลายของผู้ขับขี่ และรถไฟเหาะเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการเปลี่ยนความรู้สึก Rhoads กล่าว

วน พลิก และหมุน Turn

วิศวกรสร้างความตื่นเต้นผ่านการเร่งความเร็ว—โดยพื้นฐานแล้วจะเปลี่ยนความเร็วของนักขี่ด้วยวิธีทางวิศวกรรมขั้นสูงและผิดธรรมชาติ วิศวกรรถไฟเหาะเรียกร้องกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเพื่อให้ผู้ขับขี่ได้สัมผัสถึงแรงโน้มถ่วงและความเร่งที่รวมกัน ซึ่งสร้างความรู้สึกที่น่าตื่นเต้นและแปลกใหม่ให้กับร่างกาย นักบิดเกลียว เกลียวเหล็กไขจุก และผลัดแน่น ร่างกายในแนวตั้งและแนวนอนด้วยวิธีการคำนวณ

เคยสงสัยไหมว่าทำไมลูปถึงมีรูปร่างเป็นหยดน้ำมากกว่าวงกลม? ความท้าทายคือการออกแบบการเปลี่ยนผ่านเข้าและออกจากวง” Rhoads กล่าว 'คุณต้องแน่ใจว่าคุณไม่ได้กระตุ้นให้เกิดการกระตุก หรือการเปลี่ยนแปลงในการเร่งความเร็วที่อาจนำไปสู่การฟาดฟันได้ อะไรก็ตามที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมก็จะพบกับความเร่งอีกแบบหนึ่งที่เรียกว่าความเร่งสู่ศูนย์กลาง ซึ่งยิ่งทำให้รถวิ่งเร็วขึ้น หรือวงกลมยิ่งเล็กลง การวนเป็นวงกลมจะทำให้เกิดการกระตุกจากการเติมความเร่งสู่ศูนย์กลางอย่างกะทันหัน รูปทรงหยดน้ำช่วยควบคุมอัตราเร่งนั้น ทำให้ผู้ขี่สบายผ่านห่วงและป้องกันการกระตุก

แล้วก็มีม้วนซึ่งอาจทำให้ผู้ขับขี่สับสนได้หลายวิธี การบิดแบบอินไลน์คือการม้วนตัวที่หมุนรถไฟไปรอบ ๆ แทร็ก แต่การม้วนแบบฮาร์ทไลน์พยายามที่จะหมุนผู้ขับขี่ไปรอบ ๆ ทรวงอกของพวกเขา ยักษ์ใหญ่ใน Thorpe Park (ด้านบน) เป็นตัวอย่างที่ดีที่สุดของการทอยหัวใจในที่ทำงาน—การทดเวลา 90 วินาทีมีการผกผัน 10 ครั้ง รวมถึงการทอยฮาร์ทไลน์ต่อเนื่องกันสี่ครั้ง เราจะเห็น [รถไฟเหาะที่มี] หลายม้วนในซีรีย์ทีละรายการมากขึ้น Rhoads กล่าวเพราะมันสร้างความสับสนอย่างมาก

ไม้กับเหล็ก

ที่รองแก้วทำด้วยไม้ไม่สามารถรองรับห่วงได้เป็นอย่างดี ดังนั้นจึงมักทำให้สับสนน้อยกว่าแบบเหล็ก เหตุใดผู้ขับขี่บางคนถึงชอบพวกเขา? ผู้คน... เหมือนกับความคาดหวัง ความง่อนแง่นของพวกเขาที่เพิ่มพูนขึ้นเล็กน้อย พวกเขาต้องการรู้สึกเหมือนโครงสร้างกำลังเคลื่อนที่อยู่ข้างใต้พวกเขา Rhoads กล่าว ที่รองแก้วเหล็กเกือบจะตรงกันข้าม มันเหมือนกับการขับรถโบราณกับการขับรถสปอร์ตรุ่นใหม่ล่าสุด

ที่รองแก้วไม้มักจะไม่มีลูปหรือม้วน เพราะมันจะใช้ไม้มากเกินไปในการรองรับแรงของรถไฟเหาะหนัก Hades 360 ที่ภูเขา โอลิมปัส ในรัฐวิสคอนซินรองรับม้วนบนรางไม้พร้อมนั่งร้านเหล็ก

ที่รองแก้วรุ่นต่อไป

มีหลายวิธีเท่านั้นที่คุณสามารถเหวี่ยงคนไปรอบๆ ด้วยเกวียนเล็กๆ โดยส่งพวกเขาขึ้น ลง และกลับหัว ผู้สร้างรถบางคนสร้างช่องที่หมุนแยกจากตัวรถ โดยหมุนแกนในแนวตั้งฉากกับลู่วิ่ง ซึ่งจะเพิ่มการพลิกตัวมากขึ้นโดยไม่ต้องวนซ้ำ คุณสามารถเห็นสิ่งนี้ได้จริงใน The โจ๊กเกอร์จากการผจญภัยครั้งยิ่งใหญ่ของ Six Flag (ด้านล่าง).

ประสบการณ์รถไฟเหาะเป็นมากกว่าผลรวมของการเร่งความเร็ว ผู้สร้างรายอื่นกำลังเพิ่มไฟ ควัน ส่งจานรองแก้วไปใต้ดิน และเพิ่มเครื่องตัดหัวและเท้า แถบที่ชิดแต่ไม่ชิดเกินไป ที่ให้องค์ประกอบพิเศษของความตื่นเต้นและ/หรือความหวาดกลัว Rhoads กล่าวว่านั่นคือวิถีโคจรที่เราจะต้องปฏิบัติตามชั่วขณะหนึ่ง ใหญ่ขึ้นและเร็วขึ้นจะไม่สามารถทำได้อีกต่อไป