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2025年高考物理過山車中的物理知識(shí)

來源:網(wǎng)絡(luò)整理 2024-11-15 09:03:27

  [趣味物理]過山車中的物理知識(shí)

  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,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,如果你的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)。

  在開始旅行時(shí),過山車的小列車是靠一個(gè)機(jī)械裝置的推力推上最高點(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)它沿著軌道行駛的惟一的“發(fā)動(dòng)機(jī)”將是引力勢(shì)能,即由引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、又由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為引力勢(shì)能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過程構(gòu)成的。

  第一種能,即引力勢(shì)能是物體因其所處位置而自身擁有的能量,是由于它的高度和由引力產(chǎn)生的加速度而來的。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)楦叨认陆盗耍,但它不?huì)消失,而是轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能,也就是運(yùn)動(dòng)能。

  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)。這就是為什么要設(shè)計(jì)成隨后的小山丘比開始時(shí)的小山丘要低的原因:過山車已經(jīng)沒有上升到像前一個(gè)小山丘那樣的高度所需要的機(jī)械能了。

  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,這是由于引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)車廂的人就能快速地達(dá)到和跨越最高點(diǎn),從而產(chǎn)生一種要被拋離的感覺,因?yàn)橘|(zhì)量中心正在加速向下。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),小車廂就可能脫軌甩出去。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)被引力推動(dòng)。

  到達(dá)“瘋狂之圈”時(shí),沿直線軌道行進(jìn)的過山車突然向上轉(zhuǎn)彎。這時(shí),乘客就會(huì)有一種被擠壓到軌道上的感覺,因?yàn)檫@時(shí)產(chǎn)生了一種表觀的離心力。事實(shí)上,在環(huán)形軌道上由于鐵軌與過山車相互作用產(chǎn)生了的一種向心力。這種環(huán)形軌道是略帶橢圓形的,目的是為了“平衡”引力的制動(dòng)效應(yīng)。當(dāng)過山車達(dá)到圓形軌道的最高點(diǎn)時(shí),事實(shí)上它會(huì)慢下來,但如果彎曲的程度較小時(shí),這種現(xiàn)象會(huì)減弱。一旦過山車走完了它的行程,機(jī)械制動(dòng)裝置就會(huì)非常安全地使過山車停下來。減速的快慢是由氣缸來控制的。

 

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