游乐场中的物理

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过山车的竖直立环是一种离心机装置，当列车接近 回环时，乘客的惯性速度笔直地指向前方。但车厢 一直沿轨道行进，使乘客的身体无法按直线运动。 于是重力推着乘客离开车厢的地板，而惯性则将乘 客向地板方向挤压。乘客本身的外向惯性产生惯性 力，使乘客即使在头朝下时也能牢牢地停留在车厢 的底部。当然乘客需要某种安全护具来保证自己的 安全，但在大多数大回环中，无论有没有护具，乘 客都会停留在车厢中。 当列车沿着回环移动时，作用在乘客身上的合力在 不断地变化。在回环的最底部，因为加速度朝上， 所以轨道对游客向上的支撑力要大于重力，此时游 客可以感觉到超重的现象，即感觉特别沉重。当一 路冲上回环时，重力则把乘客向地板的方向推。所 以乘客会感到重力将您向座位方向挤压。
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更快的速度意味着乘客在进入回环时会受到 更大的作用力，而这可能会让乘客很不舒服。
水滴形设计使这些力的平衡变得更加容易。 回环顶部的弯道角度比回环侧面更急促。这 样可以让列车以足够快的速度穿过回环，使 之在回环顶部拥有充足的加速力，而且水滴 形设计会在侧面产生较小的竖直加速度。这 提供了维持过山车一切运行所需的力，而不 致将过大的力施加在可能有危险的部位。
在大回环中，竖直加速度的强度是由两个因素决定的： 列车的速度和弯道的角度。当列车进入回环时，它拥有 最大的动能，也就是说，它以最快的速度移动。在回环 的顶部，重力已经在一定程度上降低了列车的速度，所 以列车拥有更多的势能，但动能减少了，也就是说它以 较低的速度移动，但速度不能够低于某一个安全行驶的 速度。 1/26/2015
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大家都坐过过山车和跳楼机吧！那种奇 妙的感觉真是让人激动又害怕。可是， 你有没有想过，游乐场中许多的游戏都 蕴含着物理知识。今天，就让我们一起 去探求一下吧！
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物理，有时真的挺无 趣。话不多说，先给 大家看一些世界各地 “有趣”的游乐场游 戏！
大家都坐过
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Βιβλιοθήκη Baidu
由于人此时所受的绳子的拉力最大且竖直向上，人所受的重力 和绳子的拉力的合力最大且向上，人又由静止开始向上做加速 运动，人由最低点上升到最高点的过程中，机械能和人的运动 状态的改变便很好分析了。
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实际上，在整个运动的过程中，空气 阻力是不可避免的，因而在各个运动 的过程中，总有一部分机械能转化为 人和空气的内能。日常生活中很多运 动都与蹦极过程极为相似。比如乒乓 球和篮球从下落到反弹的过程。弹簧 振子的振动过程等。看了上面的材料 你能分析吗？
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可是牛顿第二定律告诉我们，物体受力 作用 时，加速度 与物体的质量 成反比，即
把两式合起来，我们有
于是加速度a便与物体的质量m无关了。
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在刚刚开始时，过山车的小列车是依靠一个机械装置的推 力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装 置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿轨道行 驶的唯一的“发动机”将是引力势能，即由势能转化为动 能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构 成的。 第一种能，即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的 能量，它是由于物体和地球的引力相互作用而产生的。对 过山车来说，它的势能在处于最高点时达到了最大值，也 就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大。当过山车开始下 降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但能 量不会消失，而是转化成了动能，也就是运动的能量。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，从而损耗了少量的机械能（动能和势 能）。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小 山丘略矮一点的原因。
早在 17 世纪，伽里略(Galileo) 已经发 现不同质量的物体在引力下会以相同的 加速度自由下落。换句话说，如果我们 可以忽略空气阻力的影响，任何物体在 同样的高度会以相同的时间跌落地面。 据说伽里略曾经在比萨斜塔顶端自由落 下两个大小相等但质量不同的圆球，发 现它们同时到地，验证了上述的原理 。 让我们回到「跳楼机」的问题上。当 「跳楼机」与你一同下跌时，「跳楼机」 和你各自受到地球引力下落，加速度相 同，因此「跳楼机」对你几乎没有产生 任何作用力，没有了地面或其它物体对 你的支持力，你便会毫无束缚，完全感 受不到身体的重力了。
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首先想一想为什么我们平日 会感受到身体的重力。根据 牛顿的万有引力定律，地球 对我们的身体产生引力 。但 原来地面对我们的身体也产 生一个支持力，引力与支持 力大小相等并互相平衡，我 们才得以安然地站在地上不 动。如果假想支持力消失， 我们便会随引力下落，掉进 地球的中心了！这两个方向 相反的力对我们的身体组织 产生一种压力，使我们感受 28 到自己身体的重力。
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事实上，航天员在穿梭机中感受「失重状态」，亦是因 为他们在引力下自由下落的原故。在绕地球的轨道上， 穿梭机与航天员之间相对静止，于是航天员便可以在机 仓中自由地漂浮着。与「跳楼机」唯一不同的是，穿梭 机中的航天员是真正的失重，但是跳楼机的安全保险装 置把人体与机器绑定，整体下降水平牵涉到人身上使得 人体体液分布失衡，高密度脏器也是处在惯性上压的状 态，容易血管出血等，从医学角度看，跳楼机和真人跳 楼不仅有死与不死的区别，也有均匀受力和不均衡受力 的区别。聪明的同学可能会问，为什么不同质量的物体 会以相同的加速下坠？这又要用牛顿力学来解释了。我 们知道，地球作用于物体的引力与地球的质量 和物体的 质量 成正比，而与他们之间距离的平方成反比，即
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一.跳楼机 二.过山车 三.蹦极
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我们在跳楼机中自由下落时， 会感受到一种失重状态，就 好像航天员在穿梭机中漂浮 着一样。为甚么物体在引力 下自由下落时会失去重力？ 这又与太空中的失重状态有 什么相似的地方呢？
一旦过山车走完了它的行程，制动装置就会 非常安全地使过山车停下来。减速的快慢是 由气缸中气体的压力来控制的。
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蹦极是一项极富刺激而惊险的体育运 动，那么蹦极运动的过程中，机械能 是怎样转换的，人的运动状态又是如 何改变的呢？
第一个点绳子的悬挂点O。
第二个点是弹性绳从高处自然下垂时的最低点A，此时绳 长为L0，当绳长超过该长时，绳子被拉伸。由于此时运 动员所受的重力与绳子的拉力相平衡，所以我们将该点 叫做平衡点。
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最刺激娛樂項目： 西班牙的“觀音坐蓮”
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最刺激娛樂項目： 美國公園的 “人肉螺旋漿”
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最刺激娛樂項目： 美國大峽谷的“死亡電單車”
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最刺激娛樂項目：加拿大公園的“雲霄飛車”
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這樣的雲霄飛車不知是要飛去哪里„„
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最刺激娛樂項目：美國的“瀑布飛船”
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這種過山車你敢坐麼？
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1 美國皇家峽谷懸索橋蹦極，321米
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2 中國澳門旅遊塔蹦極，233米
第三个点是系有运动员的弹性绳从高处自然下垂时，即 最后运动员静止时绳子的下端点所处的位置B点。
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第四个点是运动员在运动的过程中所能到达的最低点 C。有了这四个点，我们的问题就便于讨论了。为了 使问题简单化，我们首先假设运动员在运动的过程中 空气阻力可以忽略不计 。
第一个过程，运动员从跳下到绳子的自然下垂点A。 当运动员从高处跳下之后，到达A点之前，运动员的 高度不断降低，重力势能不断减小，同时动能不断增 大。在此过程中运动员的重力势能全部转化为运动员 的动能。由于此时弹性绳子并没有被拉伸，所以运动 员并不受到绳子的拉力，在这一过程中运动员只受重 力的作用，整个过程运动员向下作匀加速运动。
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這樣的遊戲你敢玩嗎?
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最刺激娛樂項目：高空遊樂園
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最刺激娛樂項目：美國迪士尼公園的“升空電梯”
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最刺激娛樂項目：KB的“火山地獄艇”
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最刺激娛樂項目： 美國最著名的“死亡跑道”
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在回环的顶部，乘客完全倒转了过来，指向地面的重力 以及轨道的向下的支持力想把乘客拖出座位，但支持力 和重力仅与离心力平衡，即提供运动所需的向心力，此 时若是飞车的速度较小，小到所产生的离心力小于重力 的话，飞车就会有掉落的危险，所以，在回环顶部的时 候要求有一定的速度以保证安全。同时也是由于离心力 的存在，抵消了一部分重力，于是乘客会产生失重现象， 感觉身体变得极轻。等列车驶出回环，沿水平方向行进， 乘客又会回到原来的重力。
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第二个过程，从绳子的自然下垂点A到受力平衡点B。当 运动员从绳子的自由长度A继续向下运动时，此时绳子开 始被拉伸，弹性绳子开始对运动员具有向上的拉力，且不 断增大。但在起始阶段拉力小于重力，因而运动员此时仍 然向下做加速运动，只是加速度在逐渐减小，这个过程一 直会持续到B点，即挂在绳子下的运动员最后静止是时的 位置。这个位置弹性绳对运动员的拉力等于重力，运动员 受力平衡，我们将这个位置称作平衡位置。由以上分析可 知，从A点到这个平衡位置，运动员的动能还是在不断增 大，同时绳子的弹性势能也在增大，只是运动员的高度在 降低，运动员的重力势能在减小。所以在这一过程中运动 员的重力势能一部分转化为自身的动能，一部分转化为弹 性绳的弹性势能。
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过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的 乘客最为刺激的礼物。事实上，下降的感受在过 山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通 过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这 是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。 这样，乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达 到和跨越最高点，从而就会产生一种要被抛离的 感觉，因为质量中心正在加速向。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，小车厢就可能脱轨飞出去。 车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在 “身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态， 但是它要“等待”质量中心越过高点被引力推动。
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由刚才的分析我们还知道，当运动员到达平衡位置B点时，运动员 受到的合力为零，即运动员的加速过程宣告结束，所以到达平衡位 置时运动员的速度达到最大。
第三个过程从受力平衡点B到最低点C。运动员从受力平衡点继续 向下运动，绳子的弹力继续增大，且大于运动员的重力，此时运动 员所受的合力转为向上，因而运动员向下做减速运动，且向下的加 速度越来越大。既然运动员向下做减速运动，因此，运动员的动能 在不断减小。而运动员的高度在不断降低，所以运动员的重力势能 也在不断减小，那运动员的动能和弹性势能都减小到哪儿去了，不 要忘了，此时绳子依然被继续向下拉伸，因此，弹性绳子的弹性势 能在不断增大。所以，这一阶段运动员的动能和重力势能都转化为 弹性绳子的弹性势能。当人到达最低点时，此时人的速度为零，重 力势能最小，绳子的弹性势能最大。
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