儿童好奇心大百科：坐过山车翻跟头的安全原理!

32.为什么坐过山车翻跟头也不会掉下来

过山车是一项富有刺激性的娱乐活动。那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣的话。那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。

速率（有方向的速度）的改变称为加速度。一个物体加速、减速或改变方向，称之为加速度。大部分大型游乐设备利用加速度，当下坡或急速转弯时，设备可能提高速率；当上坡或沿直线运动时，设备可能减小速率。当过山车下坡，地心引力使车体运动的速度越来越快，这是加速度；当过山车上坡，车体运动的速度越来越慢，这是减速度。过山车的加速度与车体的质量和推拉的动力有直接的关系。

当过山车沿着回环运动，向心力发生作用。向心力是物体沿着圆周运动而产生的。例如当你沿着下滑曲线向地面运行，地心引力使过山车沿直线作下滑运动，但是轨道是曲线的，向心力又使过山车沿曲线运动。乘客在过山车上的感觉是被抛离轨道，但是地心引力又使车体的的确确运行在轨道上作圆周运动，所以指向圆周或曲线内部的动力是必需的。对于指向圆周或曲线内部的动力，称之为向心力。这样人就不会被甩出去。

能量的守恒定律：能量可以从一种形式转化为另一种形式，但是不会自动生成和消失。当马达驱动过山车攀登到达第一个坡度，过山车储存越来越多的势能。当重力牵引过山车沿斜坡下滑，势能又转化为动能。斜坡上离顶部越远，势能转化为动能就越多，乘客能感觉到速度的加快。在斜坡的最底部，速度最快。当车体攀登第二个山坡，动能又逐渐转化为势能，过山车的速度逐渐减慢。高度越高，意味着动能转化为势能越多。这个动能势能的转化守恒定律，保持过山车沿轨道上下运动。而动能的总量是保持不变，只是从一种形式转化为另一种形式。

这就是为什么第一个山坡是过山车的最高点。(www.xing528.com)

过山车必须兼顾安全和惊险，安全是过山车建造的第一要素，毫无疑问，乘客在乘坐过山车的过程中，必须是绝对安全的。但速度和加速度的惊险度是过山车成功的重要因素，这就涉及速度的控制。所以包括山坡、直线、曲线、俯冲、回环和刹车系统等都是经过科学的论证和设计的；而且，材质、结构的设计都是在安全基础上再生产设计的。科学的理论基础是过山车生产设计的核心。

错觉产生更强的刺激，过山车的设计者们利用一些简单的光学原理让游客不断产生错觉，以为过山车的速度比实际速度还要快，他们惯用的方法是将物体靠近轨道以增加游客的速度感。比如，游客能看见紧靠他们的固定横梁飞起来。过山车的设计者们还利用两侧的树木，甚至利用其他过山车来产生这样的效果。

虽然过山车有超重和失重的过程，但是科学家认为这个过程对健康人来说是安全的，因为过山车的重力加速度一般是4g左右，我们站在地面上承受的重力加速度是1g，从椅子摔落到地上的重力加速度是10.4g，跳台阶的重力加速度是8.1g，咳嗽的重力加速度是3.1克，喷嚏的重力加速度是2.9g（g≈9.78/m/s2）。

尽管如此，日本经过科学研究发现，人们不宜在极短的时间内反复乘坐过山车。因为瞬间4kg的重力加速度对身体没有什么伤害，但是累积起来的刺激可能会导致脑部和脊髓受损伤。日本有3名20多岁的年轻人在1天内乘坐过山车4～10次，之后他们患了慢性头痛和手麻。过山车运行时产生强大的重力加速度和离心力，可能使乘坐者脑中的静脉爆裂而出血，血块堆积在硬膜下腔，形成血肿。儿童的血管和脑尚未发育成熟，因此可能比大人更容易受损伤。

世界上最刺激的过山车位于美国新泽西州首府杰克逊的六旗游乐园，叫做“金达卡”过山车。该过山车的最大高度为139米，有30多层楼那么高，是目前世界上最高的过山车。“金达卡”使用水压发射系统，在短短的3.5秒内，就能从每小时零千米升到205千米的极限速度，这也使得“金达卡”成为世界上最快的过山车。