Berg- og dalbaner kan være oppkast- og tåreinduserende spenningsmaskiner, men de er også fascinerende eksempler på kompleks fysikk på jobben.

Å få en rekke biler gjennom en knute dråper, vende, rulle og lansere krever team av mekaniske ingeniører som analyserer konsepter som krefter, akselerasjon og energi. For å få et inntrykk av vitenskapen bak favorittrittene våre, snakket vi med Jeffrey Rhoads, professor ved Purdue's School of Mechanical Engineering og skaper av universitetets dynamisk klasse for berg- og dalbane.

Fullfører kretsen

La oss begynne med det grunnleggende. Berg- og dalbaner, som alt annet, må overholde loven om bevaring av energi, noe som betyr at toget bare kan gå så raskt og så langt som den lagrede (potensielle) energien tillater.

Potensiell energi kommer vanligvis fra å løfte toget opp en bakke med en kjetting eller kabel. Når et tog kjører nedover en bakke, blir den potensielle energien til bevegelig (kinetisk) energi; jo raskere toget går, jo mer kinetisk energi har den.

Den kinetiske energien blir tilbake til potensiell energi når bilene stiger oppover bakker. Fordi bilene nødvendigvis mister litt energi gjennom krefter som friksjon og luftmotstand, det høyeste punktet på en tradisjonell dalbane (tenk: Six Flags Magic Mountain’s Goliat eller Twisted Colossus rides) er nesten alltid den første bakken. Hvis det er et annet stort fall som kommer høyere enn det første, legger designerne til flere heiser (tenk: det store fallet på slutten av Disneys Splash Mountain).

Noen dalbaner faller lenger enn 90 grader, og buer seg innover på toppen av heisbakken, som på Valravn i Cedar Point. Fysikken som er i spill er den samme, men Rhoads sier at disse dråpene kan gi en mer akutt følelse av vektløshet.

Andre dalbaner, som Six Flags Great Adventure's Kingda Ka eller Cedar Point's Top Thrill Dragster, lagrer energien i løfteraketter, væske- eller lufttrykkdrevne flippestempler eller i elektromagneter innebygd i sporet og biler. Lanseringsbaner krever ikke gigantiske heisbakker (noe som sparer mye plass), og tilbyr en annen slags forventningsfull spenning. Store parker ønsker en rekke rytteropplevelser, og lanseringsbaner er en fin måte å endre følelsen på, sier Rhoads.

Loops, Flips and Turns

Ingeniører genererer spenning gjennom akselerasjon - i utgangspunktet endrer rytterenes hastighet på høyt konstruerte, unaturlige måter. Coaster ingeniører påkaller Newtons bevegelseslover for å få ryttere til å føle de kombinerte tyngdekraftene og akselerasjonen, noe som gir en spennende, uvanlig kroppsfølelse. Sløyfer, korketrekkere og tette svinger tvinger ryttere & apos; kropper vertikalt og horisontalt på beregnede måter.

Noen gang lurt på hvorfor løkker er dråpeformet, snarere enn sirkulære? Utfordringen er å designe overgangene inn og ut av sløyfen, sier Rhoads. 'Du må sørge for at du ikke fremkaller rykk, eller endringer i akselerasjon som kan føre til piskesmyt. Alt som beveger seg i en sirkulær bevegelse opplever en annen type akselerasjon som kalles sentripetal akselerasjon, som øker jo raskere bilen går, eller jo mindre sirkelen er. En sirkulær sløyfe vil forårsake et støt fra den plutselige tilsetningen av sentripetal akselerasjon. En dråpeform styrer akselerasjonen, letter rytteren gjennom løkken og forhindrer rykk.

Og så er det ruller, som kan desorisere ryttere på flere måter. Inline-vendinger er ruller som roterer tog rundt banen, men hjerteruller prøver å rotere ryttere rundt brystet. Koloss i Thorpe Park (over) er det beste eksemplet på hjerteruller på jobben — turen på 90 sekunder kan skilte med 10 inversjoner, inkludert fire påfølgende hjerteruller. Vi vil se flere [underlag med] flere ruller i serie etter hverandre, sa Rhoads, fordi det skaper enorm desorientering.

Tre mot stål

Trescoaster har ikke plass til løkker veldig bra, så de er ofte mindre desorienterende enn deres kolleger i stål. Så hvorfor er det at noen ryttere foretrekker dem? Mennesker ... som forventningen, den vakkeligheten av dem som forsterker dem litt. De vil føle at strukturen beveger seg under dem, sier Rhoads. Stålunderlag er nesten stikk motsatt. Det er som å kjøre et antikt kjøretøy mot å kjøre den nyeste sportsbilen.

Treskjørere pleier ikke å ha løkker eller ruller, fordi det tar altfor mye tre å støtte kraften til et tungt berg-og-dal-tog. Hades 360 ved Mt. Olympus i Wisconsin støtter en rull på trespor med stillas av stål.

Neste generasjon Coasters

Det er bare så mange måter du kan kaste folk rundt i små vogner ved å sende dem opp, ned og opp ned. Noen turbyggere lager rom som ruller uavhengig av bilene og sirkler akser vinkelrett på banen, noe som gir flere vipp uten å trenge flere løkker. Du kan virkelig se dette på The Joker på Six Flag's Great Adventure (under).

Berg-og-dal-baneopplevelser er mer enn bare summen av akselerasjonene deres. Andre byggere legger til lys, røyk, sender underlag under jorden, og legger til hode- og fothakkere, nær-men-ikke-for-tette stenger som gir et ekstra element av spenning og / eller terror. Det er banen vi vil følge en stund, sa Rhoads. Større og raskere vil ikke være mulig mye lenger.