A hullámvasutak remek tárgyak a fizika, különösen a mechanika törvényeinek tanulmányozásához.

Energiamegmaradás

Kezdetben a kocsit, amelynek nincs saját tapadása, a hullámvasút legmagasabb részére húzza. Ez a földtől való elválasztás növekedést eredményez gravitációs potenciális energia a kocsi. Kiengedéskor a kocsi fokozatosan ereszkedik lefelé, növelve sebességét. Energia szempontjából annak gravitációs potenciális energia átalakul Kinetikus energia, a testek mozgásával járó energia, kivéve egy kis átalakuló részt forró a levegő és a vágányok által kifejtett súrlódás miatt. Az emelkedő szakaszokon az ellenkezője történik, a sebesség csökken, ahogy a kocsi magasságot kap, és ezáltal megnő a gravitációs potenciális energia rovására Kinetikus energia. Ennek egy kis része Kinetikus energia ismét válik forró súrlódás miatt.

Sebesség, gyorsulás és erő

A hullámvasút tervezésénél figyelembe kell venni az egyik szempontot a Kényszerítés hogy a kocsi az utasokra hat. Ez az erő nem állandó, hanem ahhoz kapcsolódik, hogy az autó, és így az utasok sebessége is változik az útvonal mentén. Ennek az erőnek a növekedése vagy csökkenése a nyugalmi állapotban vagy állandó sebességnél tapasztaltakhoz képest teszi vonzóvá a hullámvasutat sok ember számára. Keleti sebességváltozás az idő múlásával, ami lehet a nagysága vagy az iránya, az az úgynevezett gyorsulás.

Vízszintes szakaszokon a súrlódás figyelembevétele nélkül a sebesség nem változik, ezért nincs gyorsulás. A net erő az emberre való cselekvés nulla. A kocsi felfelé gyakorolt ​​ereje megegyezik a Föld lefelé kifejtett erejével, a személy súlyával.

A vízszintes ívelt szakaszokban, a nem vízszintes egyenes szakaszokban és a nem vízszintes ívekben vannak gyorsulás mivel megváltoztatja a sebesség irányát, a sebesség nagyságát vagy mindkettőt. A kocsira ható nettó erő arányos a gyorsulással, és az ábrán az útvonal különböző pontjain látható.

hullámvasutak
Nettó erő a hullámvasút különböző szakaszain

Hurkok

A hullámvasutat alkotó szakaszok alakja változatos, és általában van egy függőleges hurok alakú.

Amikor egy tárgy egy ívelt mozgást ír le, több erő is hat rá, de szükséges, hogy mindegyikük összege az általa leírt görbe belseje felé irányuljon. Ha ez a nettó erő merőleges a görbére, a sebesség csak irányt változtat, különben a sebesség nagyságrendileg növekszik vagy csökken, amint az az ábrán látható.

Nettó erő és a sebesség nagyságának változása

Ez a nettó erő ketté bontható, az egyik merőleges a görbére, a másik pedig érintőre oly módon, hogy összeadva egyenlőek legyenek az elsővel.

A nettó erő és a sebesség nagyságának változásának összetevői

A görbére merőleges erőt hívjuk centripetális erő y egyenesen arányos a mozgó tárgy tömegével és a sebesség nagyságának négyzetével, és fordítottan arányos a görbületi sugárral .

Általában a centripetális erőt részben a sín, amelyen az autó kering, részben pedig a Föld.

Miért nincsenek általában kör alakú függőleges hurkok a hullámvasutakon?

Válaszoljunk korábban a következő kérdésre:

Mi az a minimális sebesség, amelynél egy kör alakú függőleges hurkot be lehet vezetni annak teljes leírása érdekében?

Ha ezzel a minimális sebességgel lép be, a centripetális erő a hurok tetején is minimális lesz. Ahhoz, hogy ez megtörténjen, a felső rész sínje nem gyakorolhat erőt a kocsira, és a felső részében lévő centripetális erőt kizárólag a Föld fogja végrehajtani: ez lesz kocsi súlya, mg. Ebből a tényből következtethet a kocsi sebességére ezen a ponton:

Az energia megőrzését felhasználva a sebességet a hurok belépési pontjánál vezetik le. A kinetikus energia a bejáratnál részben gravitációs potenciális energiává alakul át, amikor a legmagasabb pontot eléri.

Energiatakarékosság

figyelembe véve mit és mit

Ha ez a bemeneti sebesség, akkor a bemenetnél a centripetális erő:

Hogyan hoz a Föld lefelé erőt ezen a ponton, mg, úgy, hogy a centripetális erő az 5mg a sínnek erőt kell tennie 6mg antialkoholista.

Az az érzés, amelyet ez egy utazóban okoz, ugyanaz, mintha súlyát megszoroznák 6-mal. Ez is rövid idő alatt megtörténne, amikor belép a hurokba.

A kocsira ható erő gyors megváltoztatása

A klóoid

A spirál, más néven Euler-spirál vagy Cornu-spirál, egy görbe, amelynek görbülete lineárisan változik, miközben haladunk rajta. A görbület annak mértéke, hogy a görbe mennyiben tér el egy vonaltól, és a görbületi sugár inverzeként van meghatározva. .

Spirál és íj

A görbület megváltoztatásának ez a módja alkalmassá teszi a hullámvasutak függőleges hurkaihoz, valamint az utak irányváltoztatásához. Spirális íven haladva a kormánykerék fordulatszáma állandó.

Irányváltás kloidoid íjjal

A hullámvasút hurkok általában két összekapcsolt spirálívből állnak, amint az az ábrán látható.

Az ilyen típusú hurkokban a centripetális gyorsulás amellett, hogy általában alacsonyabb, mint a kör alakúaknál, sokkal kevésbé változik, amellyel a túl gyorsulás sokkal kisebb, és a kellemetlen érzések (nem mindenkinek) is.