Svet fyziky S Isaacom Newtonom na horskej dráhe
Irena Kampa 22.03.2012
Každý, kto jazdí na horskej dráhe, môže cítiť, aké veľké sily pôsobia. Pretože iba oni umožňujú zvláštne vzrušenie z rýchlych zjazdov a slučiek. Zaisťujú tiež, že cestujúci v poslednom automobile si často môžu vychutnať ten „povznášajúci“ zážitok z horskej dráhy.
Klasická jazda na horskej dráhe začína tým, že sa auto vytiahne až na prvý kopec, na zdvíhací kopec, pomocou reťazového náhonu. Od tej doby pokračuje vo svojej ceste samostatne. Pretože vlaky na horskú dráhu zvyčajne nemajú svoj vlastný pohon (výnimkou sú skôr zriedkavé poháňané tácky). Energia, ktorú má auto vďaka svojej výške nad zemou, sa nazýva pozičná energia alebo potenciálna energia, ktorá musí stačiť na celú cestu. Energia, ktorá ide do pohybu automobilu, teda kinetická energia, je na kopci zdvihu stále veľmi nízka. To sa však náhle zmení, keď auto dosiahne prvý výjazd. Pri postupe na zem sa jeho potenciálna energia premieňa na energiu kinetickú - auto stráca výšku, ale zvyšuje rýchlosť. Kinetická energia je najväčšia a potenciálna energia je najnižšia v údolí. Potom auto vyjde na ďalší kopec a forma energie sa zmení z kinetickej späť na potenciálnu.
Táto hra transformácie pokračuje v jazde na horskej dráhe, pričom súčet týchto dvoch energií zostáva vždy konštantný. Ak sa časť počiatočnej energie nepremení na teplo trením, jazda na horskej dráhe môže trvať navždy.
Gravitácia a akcelerácia v sedadle horskej dráhy
Zábavné parky neustále vytvárajú nové rýchlostné rekordy, ale samotná rýchlosť hovorí len málo o radosti z jazdy. To, čo robí jazdu vzrušujúcou, sú zrýchlenia, ktoré pôsobia na telo. Fyzik hovorí o zrýchlení nielen pri zvýšení rýchlosti, ale aj pri spomalení alebo zmene smeru pohybu, teda v zákrutách, kopcoch alebo dolinách. Zrýchlenie spôsobujú rôzne sily. V zjazde gravitačná sila auto zrýchli. Počas cesty môže byť zrýchlenie automobilu rovnako veľké ako zrýchlenie karosérie pri voľnom páde smerom do stredu Zeme. Týmto spôsobom je gravitačná sila vyvážená. Nemôžeme cítiť svoju vlastnú váhu a krátkodobo sa cítiť beztiažovo.
Ak auto jazdí údolím alebo zákrutou, smer pohybu je riadený koľajnicami na oblúkový chodník. Výsledkom je, že cestujúci pocíti silu, ktorá ho tlačí dole do údolia alebo von v zákrutách. Táto sila sa nazýva odstredivá sila a je väčšia, čím vyššia je rýchlosť a tým silnejšie je zakrivenie. V povodí pracuje odstredivá sila a gravitácia rovnakým smerom. Cestujúci sa cíti výrazne ťažší ako obvykle.
Horská dráha typu „Wild Mouse“
Ak auto jazdí cez vrchol kopca, pôsobí odstredivá sila v opačnom smere. Ak sú otáčky dostatočne vysoké, môže byť radiálne zrýchlenie smerom od sedadla, ktoré je spôsobené odstredivou silou, dokonca väčšie ako gravitačné zrýchlenie. Spolujazdec je zdvihnutý na svojom sedadle a v automobile ho drží iba držiak. V tomto prípade nadšenec horskej dráhy hovorí o zápornom g alebo o „vysielacom čase“.
Odstredivé sily vznikajú zakaždým, keď odbočíte za zákrutu. Aby sa zmiernili ich účinky, sú koľajnice často naklonené, takže spolujazdec nie je akcelerovaný na stranu, ale na podlahu vozidla. Výnimkou sú menšie horské dráhy typu „divoká myš“, ktoré často nájdete na výročných veľtrhoch. Majú veľké množstvo veľmi pevných oblúkov bez sklonu koľajnice. Návštevníci tu majú pocit, že sa auto chystá vykoľajiť.
Auto v slučke
Odstredivá sila je rozhodujúca aj pre ďalší veľkolepý prvok horskej dráhy: slučky. Automobil so slučkou prejde 360-stupňovou slučkou a na krátky čas je hore nohami. Aj dnes existujú horské dráhy, kde sú návštevníci zabezpečení iba jednoduchou brušnou tyčou. Je to možné len preto, že odstredivá sila v najvyššom bode slučky je minimálne taká veľká ako hmotnosť. Potom funguje ako „umelá gravitácia“, ktorá drží spolujazdca v automobile.
Správna voľba miesta
So všetkými týmito poznatkami o formách energie a síl môžeme teraz preskúmať vysvetlenie javu, ktorý možno pozorovať v mnohých zábavných parkoch: Prečo sú rady pre prvé a posledné sedadlo najdlhšie, keď celý vlak jazdí vždy rovnakou rýchlosťou? Vysvetlenie predných sedadiel je jednoduché: cestujúci cíti vietor silnejšie a má ničím nerušený výhľad na koľajnice pred sebou. Už len z tohto dôvodu sa mu zdá cesta rýchlejšia. Pre zadné sedadlá sú však dôležité ďalšie efekty.
Doteraz sme vo svojich úvahách vždy brali do úvahy jediné auto, ktoré sme považovali za také malé, že na jeho veľkosti nezáležalo. Na horskej dráhe však veľmi často premávajú dlhé vlaky, ktoré pozostávajú z niekoľkých automobilov. Autá na seba vyvíjajú ďalšie sily. Môžete sa navzájom tlačiť alebo ťahať ostatných za sebou. Samozrejme, všetky vagóny vo vlaku majú vždy rovnakú rýchlosť, pretože sú navzájom pevne spojené. Rýchlosť, ktorú má auto v určitom bode trate, sa však môže líšiť od rýchlosti iného automobilu, keď bol na rovnakom mieste.
Výber miesta na horskej dráhe
Predpokladajme, že náš vlak horskej dráhy pozostáva z piatich vozňov. Momentálne je na zdvíhacom kopci a pre mierny sklon koľajníc sa pomaly posúva smerom k zjazdu. Prvé auto pokojne jazdí cez vrchol kopca. Potom hmotnosť prvého vagónu zrýchli celý vlak. S každým autom, ktoré prejde cez kopec, sa efektívna sila zvyšuje. Keď je posledný vozeň hore, vlak horskej dráhy už dosiahol vysokú rýchlosť. Na spolujazdca v tomto automobile pôsobí vyššie zrýchlenie ako na cestujúcich v prednom vozidle, pretože odstredivé zrýchlenie sa zvyšuje s druhou mocninou rýchlosti. Požadovaný vysielací čas teda pocíti pri prvom a najvyššom zjazde intenzívnejšie ako ostatní.
Celý vlak naďalej zvyšuje rýchlosť, kým prostredný vagón nenarazí na dno údolia. V tomto okamihu sú už dve autá na stúpaní a dve stále v klesaní. Váhové sily vzadu, ktoré zrýchľujú vlak, a sily vpredu, ktoré vlak brzdia, sa vzájomne rušia, ak je vlak rovnomerne zaťažený. Stredný automobil jazdí údolím najvyššou rýchlosťou, a preto na neho pôsobia najsilnejšie pozitívne g-sily. Potom vlak spomalí, až kým stred vlaku neprešiel na ďalší kopec a hra sa začína odznova. Stredné autá sú teda najpomalšie na kopcoch a najrýchlejšie v údoliach, takže u jazdcov na horských dráhach sú menej populárne ako vonkajšie autá.
Pravidlo, že jazda v zadnom vozidle je vzrušujúcejšia ako v strednom, platí najmä pre horské dráhy s dlhými vlakmi a množstvom prvkov vysielacieho času. Na trasách s mnohými inverziami, tj. Nadzemnými prvkami, by iné kurzy mohli sľubovať väčšiu zábavu. Ak majú autá viac ako dve sedadlá v rade, aj tu sú badateľné rozdiely. Cestujúci na krajných sedadlách napríklad jazdia na dlhšie vzdialenosti súčasne s tými v strede, a preto podliehajú vyššej akcelerácii.
Ako sa horské dráhy spomaľujú - a niekedy aj vzlietajú
Po toľkých klasických mechanikách, teraz niečo o modernej technológii horských dráh. Vlaky horskej dráhy môžu vážiť niekoľko ton a dosiahnuť rýchlosť viac ako 120 kilometrov za hodinu. Normálne brzdy, ktoré pracujú na princípe trenia, sú pri týchto požiadavkách vystavené mimoriadne vysokej miere opotrebenia. Existujú ale aj technológie bezkontaktného brzdenia, ktoré fungujú na princípe elektromagnetickej indukcie.
Spočiatku sa tieto brzdy na vírivý prúd používali vo vežiach s voľným pádom. Tu sa gondola s cestujúcimi pomaly vytiahne do veľkej výšky. Akonáhle je na vrchu, uvoľní sa a potom úplne voľne spadne. Na gondole sú pripevnené silné permanentné magnety a v dolnej časti veže sú brzdové čepele vyrobené z vodivého materiálu. Keď gél príde do tejto oblasti, magnety indukujú vo vodičoch vírivé prúdy. Tieto prúdy opäť tvoria magnetické pole, ktoré je oproti kauzálnemu magnetickému poľu (Lenzovo pravidlo indukcie). Potom sa gondola zabrzdí. Čím rýchlejšie sa vodič a magnetické pole pohybujú proti sebe, tým silnejšia je brzdná sila.
Zásadnou výhodou týchto bŕzd je, že pracujú perfektne aj v prípade výpadku prúdu. Od 90. rokov sa brzdy s vírivými prúdmi používajú aj na horských dráhach. Magnety sú zvyčajne na koľajnici a brzdové lišty na automobile. Brzdy s normálnym trením sú stále nevyhnutné, pretože magnetické brzdy fungujú iba vtedy, keď existuje relatívny pohyb medzi magnetom a vodičom, t. J. Nemôžu vlak úplne zastaviť alebo ho udržať na svahu.
Najrýchlejšia horská dráha na svete
Lenzovo indukčné pravidlo sa používa aj v moderných pohonných systémoch. Okrem reťazového výťahu existuje možnosť dodať vlaku dostatok energie na cestu spustením katapultu. Tento typ koľaje sa používa od polovice 90. rokov a od zavedenia LIM (lineárny indukčný motor) pri stavbe horských dráh. Horskú dráhu je možné zrýchliť takmer zo stoja na vodorovnej dráhe. Princíp LIM sleduje princíp striedavého motora, až na to, že sa tu generuje lineárny namiesto rotačného pohybu.
Jednoducho povedané, cievky sú pripevnené k koľajniciam, na ktoré je privádzaný striedavý prúd. Tak vznikne vlnové „cestujúce pole“, ktoré sa pohybuje po koľajniciach. Rebríkové meče sú pripevnené k automobilom na horských dráhach, v ktorých magnetické pole indukuje vírivé prúdy. Vytvorí sa protichodné pole. Odpudivý účinok oboch magnetických polí sa využíva tak, že magnetické pole automobilu je za sebou ťahané jazdným poľom. Aby to vôbec fungovalo, je potrebná zložitá elektrická riadiaca technológia a meranie polohy vozíkov s presnosťou na milimetre. Okrem toho je na krátku dobu potrebné obrovské množstvo energie, čo môže testovať elektrickú sieť zábavného parku. Existuje teda veľa výziev, ktoré je potrebné zvládnuť, ale pocit z jazdy, keď sa auto s hmotnosťou ton zrýchli na približne sto kilometrov za hodinu za pár sekúnd, stojí za námahu mnohých zábavných parkov.
S týmto systémom však nie je možné dosiahnuť rýchlostné rekordy. To by si vyžadovalo sprístupnenie veľmi vysokého množstva energie vo veľmi krátkom čase, s ktorým by si napájací zdroj parku nedokázal poradiť. Momentálne najrýchlejšia horská dráha na svete, „Formula Rossa“ v Dubaji, akceleruje na 240 kilometrov za hodinu za 4,9 s. Môže za to hydraulický pohon, pri ktorom je množstvo energie stlačené po dlhšiu dobu a potom sa náhle uvoľní pri štarte.
Zrýchlenie a sily g
Podľa druhého Newtonovho zákona možno zrýchlenie telesa vypočítať z pomeru sily na neho pôsobiacej k jeho hmotnosti F = m · a. Preto sa výrazy sila a zrýchlenie často používajú ako synonymá. Gravitačné zrýchlenie v našich zemepisných šírkach má hodnotu g = 9,81 m/s.
Pre lepšie predstavenie sily, ktorá spôsobuje zrýchlenie, sa vyjadruje ako násobok zrýchlenia v dôsledku gravitácie. Jeden potom hovorí trochu zavádzajúco o g-silách. S „silou“ 3 g pôsobí na telo trojnásobok jeho hmotnosti. Na horských dráhach môže krátko dôjsť k zrýchleniu až 6 g. Príliš silné alebo príliš dlhé zrýchlenia môžu tlačiť krv z mozgu do chodidiel a spôsobiť zatemnenie. Telo si nevie dobre rady s bočným zrýchlením, a preto sú zákonom obmedzené na maximum 2g.
Negatívne sily g vyvolávajú známy pocit mravčenia v žalúdku cestujúcich. Pretože naše telo nie je pevná, tuhá štruktúra, ale pozostáva z mnohých orgánov, ktoré sú pomerne voľne „zavesené“. Ak je gravitačné zrýchlenie zjavne zrušené, orgány sa už navzájom nestlačia, ale každý orgán sa takpovediac pohybuje vo voľnom páde. To môže okrem brnenia viesť u niektorých cestujúcich k nevoľnosti.
Odstredivá sila a dostredivá sila
Pojem odstredivá sila je v každodennom živote známy pre silu, ktorá pôsobí v zákrutách. Fyzik často hovorí o dostredivej sile. Pokiaľ ide o ich veľkosť, obe sily sú si rovné, ale pôsobia iným smerom. Opisujú ten istý jav, rozdiel je iba v pohľade pozorovateľa. Dostredivá sila je sila, ktorá tlačí teleso na zakrivenú cestu. Za to sú zodpovedné koľajnice na horskej dráhe. Pozorovateľ stojaci pred horskou dráhou môže vidieť, ako sú autá nasmerované na svoju koľaj.
Odstredivá sila je na druhej strane takzvaná zdanlivá sila, ktorá sa vyskytuje v zrýchlených referenčných rámcoch. Cestujúci na horskej dráhe má pocit, že ho v zákrute tlačí sila smerom von. Cíti zotrvačnosť svojho tela vo vzťahu k zmene smeru. Pretože odstredivá sila viac zodpovedá skutočným skúsenostiam s horskou dráhou, tento výraz sa v článku použije.