過山車是由美國發(fā)明家、商人拉馬庫斯·阿德納·湯普森是第一個(gè)注冊(cè)過山車相關(guān)專利技術(shù)的人，并曾制造過數(shù)十個(gè)過山車設(shè)施，因此被譽(yù)稱為“重力之父”。過山車又稱為云霄飛車，是一種機(jī)動(dòng)游樂設(shè)施，常見于游樂園和主題樂園中，一般恐高或者心臟病患者不建議游玩，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

　　過山車是什么意思

　　過山車是一種機(jī)動(dòng)游樂設(shè)施，常見于游樂園和主題樂園中。過山車雖然驚悚恐怖，但是基本上是非常安全的設(shè)施，深受很多年輕游客的喜愛。

　　一個(gè)基本的過山車構(gòu)造中，包含了爬升、滑落、倒轉(zhuǎn)(兒童過山車沒有倒轉(zhuǎn))，其軌道的設(shè)計(jì)不一定是一個(gè)完整的回圈，也可以設(shè)計(jì)為車體在軌道上的運(yùn)行方式為來回移動(dòng)。大部分過山車的每個(gè)乘坐車廂可容納2人、4人、6人、8人，這些車廂利用勾子相互連結(jié)起來，就像火車一樣。從最基本的層面來看，過山車不過是一部利用重力和慣性使列車沿蜿蜒的軌道行進(jìn)的機(jī)器。

　　過山車的主要原理

　　過山車是一項(xiàng)富有刺激性的娛樂工具。那種風(fēng)馳電掣、有驚無險(xiǎn)的快感令不少人著迷。如果你對(duì)物理學(xué)感興趣的話，那么在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗(yàn)到冒險(xiǎn)的快感，還有助于理解力學(xué)定律。實(shí)際上，過山車的運(yùn)動(dòng)包含了許多物理學(xué)原理，人們?cè)谠O(shè)計(jì)過山車時(shí)巧妙地運(yùn)用了這些原理。如果能親身體驗(yàn)一下由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺真是妙不可言。這次同物理學(xué)打交道不用動(dòng)腦子，只要收緊你的腹肌，保護(hù)好腸胃就行了。當(dāng)然，如果你受身體條件和心理承受能力的限制，無法親身體驗(yàn)過山車帶來的種種感受，你不妨站在一旁仔細(xì)觀察過山車的運(yùn)動(dòng)和乘坐者的反應(yīng)。

　　在剛剛開始時(shí)，過山車的小列車是依靠彈射器的推力或者鏈條爬上最高點(diǎn)的，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動(dòng)力了。事實(shí)上，從這時(shí)起，帶動(dòng)它沿軌道行駛的唯一的“發(fā)動(dòng)機(jī)”將是重力勢(shì)能，即由勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、又由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過程構(gòu)成的。

　　第一種能，即重力勢(shì)能是物體因其所處位置而自身擁有的能量，它是由于物體和地球的重力相互作用而產(chǎn)生的。對(duì)過山車來說，它的勢(shì)能在處于最高點(diǎn)時(shí)達(dá)到了最大值，也就是當(dāng)它爬升到“山丘”的頂峰時(shí)最大。當(dāng)過山車開始下降時(shí)，它的勢(shì)能就不斷地減少(因?yàn)楦叨认陆盗?，但能量不會(huì)消失，而是轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，也就是運(yùn)動(dòng)的能量。不過，在能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于過山車的車輪與軌道的摩擦而產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機(jī)械能(動(dòng)能和勢(shì)能)。這就是在設(shè)計(jì)中隨后的小山丘比開始時(shí)的小山丘略矮一點(diǎn)的原因。

　　過山車最后一節(jié)小車廂里是過山車贈(zèng)送給勇敢的乘客最為刺激的禮物。事實(shí)上，下降的感受在過山車的尾部車廂最為強(qiáng)烈。因?yàn)樽詈笠还?jié)車廂通過最高點(diǎn)時(shí)的速度比過山車頭部的車廂要快，這是由于重力作用于過山車中部的質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節(jié)車廂的人就能夠快速地達(dá)到和跨越最高點(diǎn)，從而就會(huì)產(chǎn)生一種要被拋離的感覺，因?yàn)橘|(zhì)量中心正在加速向。尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達(dá)頂峰附近時(shí)，小車廂就可能脫軌飛出去。

　　車頭部的車廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時(shí)間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要“等待”質(zhì)量中心越過高點(diǎn)被重力推動(dòng)。

　　過山車的豎直立環(huán)是一種離心機(jī)裝置，當(dāng)列車接近回環(huán)時(shí)，乘客的慣性速度筆直地指向前方。但車廂一直沿軌道行進(jìn)，使乘客的身體無法按直線運(yùn)動(dòng)。于是重力推著乘客離開車廂的地板，而慣性則將乘客向地板方向擠壓。乘客本身的外向慣性產(chǎn)生慣性力，使乘客即使在頭朝下時(shí)也能牢牢地停留在車廂的底部。當(dāng)然乘客需要某種安全護(hù)具來保證自己的安全，但在大多數(shù)大回環(huán)中，無論有沒有護(hù)具，乘客都會(huì)停留在車廂中。

　　當(dāng)列車沿著回環(huán)移動(dòng)時(shí)，作用在乘客身上的合力在不斷地變化。在回環(huán)的最底部，因?yàn)榧铀俣瘸?，所以軌道?duì)游客向上的支撐力要大于重力，此時(shí)游客可以感覺到超重的現(xiàn)象，即感覺特別沉重。當(dāng)一路沖上回環(huán)時(shí)，重力則把乘客向地板的方向推。所以乘客會(huì)感到重力將您向座位方向擠壓。

　　在回環(huán)的頂部，乘客完全倒轉(zhuǎn)了過來，指向地面的重力以及軌道的向下的支持力想把乘客拖出座位，但支持力和重力僅與離心力平衡，即提供運(yùn)動(dòng)所需的向心力，此時(shí)若是飛車的速度較小，小到所產(chǎn)生的離心力小于重力的話，飛車就會(huì)有掉落的危險(xiǎn)，所以，在回環(huán)頂部的時(shí)候要求有一定的速度以保證安全。同時(shí)也是由于離心力的存在，抵消了一部分重力，于是乘客會(huì)產(chǎn)生失重現(xiàn)象，感覺身體變得極輕。等列車駛出回環(huán)，沿水平方向行進(jìn)，乘客又會(huì)回到原來的重力。

　　大回環(huán)的魅力在于，它在短短的一段軌道中塞進(jìn)了豐富的元素。在幾秒鐘內(nèi)，作用在乘客身上的力不斷變化，從而讓人體驗(yàn)到各種不同的感覺。當(dāng)這些力作用于身體的各個(gè)部位時(shí)，眼睛會(huì)看到整個(gè)世界都倒了過來。對(duì)于許多過山車乘客而言，在回環(huán)頂部是整個(gè)運(yùn)行過程中最精彩的一刻，人們會(huì)感到身體輕如羽毛，眼中只能看到天空。

　　在大回環(huán)中，豎直加速度的強(qiáng)度是由兩個(gè)因素決定的：列車的速度和彎道的角度。當(dāng)列車進(jìn)入回環(huán)時(shí)，它擁有最大的動(dòng)能，也就是說，它以最快的速度移動(dòng)。在回環(huán)的頂部，重力已經(jīng)在一定程度上降低了列車的速度，所以列車擁有更多的勢(shì)能，但動(dòng)能減少了，也就是說它以較低的速度移動(dòng)，但速度不能夠低于某一個(gè)安全行駛的速度。

　　過山車的設(shè)計(jì)師們最早采用的是正圓形回環(huán)。在這種設(shè)計(jì)中，一路上的彎道角度是一個(gè)常數(shù)。為了在回環(huán)頂部產(chǎn)生足夠的豎直加速度以壓迫列車緊貼軌道，設(shè)計(jì)師們必須讓列車以相當(dāng)快的速度進(jìn)入回環(huán)(如此可使列車在回環(huán)頂部仍能快速行進(jìn))。更快的速度意味著乘客在進(jìn)入回環(huán)時(shí)會(huì)受到更大的作用力，而這可能會(huì)讓乘客很不舒服。

　　水滴形設(shè)計(jì)使這些力的平衡變得更加容易?；丨h(huán)頂部的彎道角度比回環(huán)側(cè)面更急促。這樣可以讓列車以足夠快的速度穿過回環(huán)，使之在回環(huán)頂部擁有充足的加速力，而且水滴形設(shè)計(jì)會(huì)在側(cè)面產(chǎn)生較小的豎直加速度。這提供了維持過山車一切運(yùn)行所需的力，而不致將過大的力施加在可能有危險(xiǎn)的部位。

　　一旦過山車走完了它的行程，制動(dòng)裝置就會(huì)非常安全地使過山車停下來。減速的快慢是由制動(dòng)氣缸中氣體的壓力來控制的。