过山车中的能量转化

姜桂祥

过山车启动后是靠一个机械装置推上最高点的.但到达最高点开始下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了，从这时起，带动它沿着轨道行驶的唯一“发动机”将是重力势能.过山车的运动过程是一种由重力势能转化为动能，又由动能转化为重力势能的过程.

对过山车来说，它的重力势能在最高点时达到了最大值，也就是当它“爬”升到轨道的顶峰时重力势能达到最大，当过山车开始下降时，它的重力势能就不断地减少（因为高度下降了），但它不会消失，而是转化成了动能.不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量（机械能转化为内能），会损耗少量的机械能（动能和势能）使过山车的机械能不断减少，这就是为什么过山车的轨道要设计成随后的“小山丘”（如图1）比开始时的“小山丘”低的原因，

过山车最后一节车厢是留给最勇敢的乘客的.因为最后一节车厢通过最高点时的速度，比前面的车厢经过最高点时的速度要快，这是为什么呢？由于重力作用于过山车的重心处.坐在最后一节车厢的人能以较快的速度达到和跨越最高点，此时最后一节车厢的乘客会有一种要被抛离的感觉.不过，你放心好了，尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨被甩出去，过山车头部的车厢情况就不同了，车的重心在它“身后”，在短时间内.它虽然处在下降的状态，但由于要“等待”重心越过高点.因此过山车头部车厢过高点的速度要比尾部车厢小.

到达“疯狂之圈”（如图2）时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯，这时，乘客会有一种被挤压到轨道上的感觉，这是因为轨道通过车厢给人施加了一个力.这个力快速地改变着人的运动方向.这个力就是向心力.正是由于铁轨与过山车相互作用产生了向心力.使过山车能顺利做圆周运动.这种环形轨道是略带椭圆形的，目的是为了“平衡”引力的制动效应.一旦过山车走完了它的行程，机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来.减速的快慢是由气缸来控制的.endprint