物理学原理在游乐场中的应用.doc

物理学原理在游乐场中的应用2011-11-14物理是一门历史悠久的自然学科。随着科技的发展，社会的进步，物理已经渗入到人类生活的各个领域：小到我们身边的衣食住行，大到航天航空技术的发展，这些都无一例外的与物理学密切相关。生活中处处蕴含着物理知识，那么我们就以游乐场为例，游乐场的设施大多与力学、运动学以及电磁学密切相关，下面就以几个我们常见的游玩项目来做简单的介绍：过山车过山车又称云霄飞车，常见于游乐园和主题乐园中。拉马库斯阿德纳汤普森是第一个注册过山车相关专利技术的人（1865年1月20日），并因制造过数十个过山车设施，而被誉称为“重力之父”。一个基本的过山车运动过程中，包含了爬升、滑落、倒转，其轨道的设计不一定是一个完整的回圈。大部分过山车每个车厢的规格为可容纳2人、4 人或6人，这些车厢利用钩子相互连结起来，就像火车一样。乘坐过山车虽然非常刺激，但是过山车基本上是一个非常安全的设施。根据美国消费者产品安全委员会和六旗乐园的调查显示，2001 年中游客搭乘过山车的死亡率约为15亿分之一。乘坐过山车那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣的话，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了。在刚刚开始时，过山车的小列车依靠一个机械装置的推力到达轨道的最高点，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“发动机”是引力势能，过山车的运动过程就是由势能转化为动能、又由动能转化为势能的一种能量不断转化的过程。引力势能是物体因其所处位置而拥有的能量，是由其高度和由引力产生的加速度形成的。对过山车来说，它的势能在处于最高点时达到最大值，也就是当它爬升到轨道的顶峰时最大。当过山车开始下行时，它的势能就不断地减少，并转化为动能。在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道摩擦产生了热量，损耗了少量动能和势能，因此在过山车轨道的设计中，随后的“山坡”比开始时的“山坡”高度要低一些。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘那样的高度所需要的机械能少了。过山车的最后一节车厢是它赠送给勇敢乘客最为刺激的礼物。事实上，坐在过山车尾部车厢的乘客对过山车下降的感受最为强烈。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，这是引力作用于过山车中部质量中心的缘故。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，从而产生一种要被抛离的感觉。由于质量中心正在加速向下，因此过山车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，小车厢就可能脱轨而被甩出去。而头部的车厢情况则不同，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”质量中心越过最高点被引力推动。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某种“伪重力”，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，竖直加速度对乘客施加一个向下推力，方向与重力一致。在此时，由于乘客受到同一方向的两股推力，所以会感到自己特别沉重。当一路冲上回环时，竖直加速度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。在回环的顶部，乘客完全倒转了过来，指向地面的重力想把乘客拖出座位，但支持力比重力更强，它的方向指向天空，把乘客压在座位上。由于两股推力的方向相反、强度大致相等，于是乘客会感觉身体变得极轻。和急速下降时一样，乘客在回环的顶部也会出现短暂的失重现象。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。大回环的魅力在于，它在短短的一段轨道中塞进了丰富的元素。在几秒钟内，作用在乘客身上的力不断变化，从而让人体验到各种不同的感觉。当这些力作用于身体的各个部位时，眼睛会看到整个世界都倒了过来。对于许多过山车乘客而言，在回环顶部是整个运行过程中最精彩的一刻，人们会感到身体轻如羽毛，眼中只能看到天空。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。 到达“垂直循环”时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。这时，乘客会有一种被压到轨道上的感觉，因为这时产生了一种离心力，即做圆周运动的物体因其惯性，有沿圆周轨迹切线做直线运动的远离圆心的趋势。而在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用又产生了一种向心力，如果离心力大于向心力，过山车就会飞出轨道；向心力大于离心力，过山车就会落向轨道的圆心位置。因此这种环形轨道通常是水滴形的，目的就是为了“平衡”这两种力。当过山车到达圆形轨道的最高点时会慢下来，但如果弯曲的程度较小，这种现象会减弱。 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中气体的压力来控制的。 跳楼机跳楼机，一个比过山车更加惊险刺激游玩项目。准备玩跳楼机的人，在身体素质和心理素质方面都需要有一定的条件，否则，玩的人会容易出现一些意外、玩过后会增大心理阴影。在一个环状的东西 (像甜甜圈一样) 四周坐满了人，沿着轴心的支柱缓慢地上升。到了离地面二十层楼的高度，你会感受到十数秒的宁静，然后甜甜圈带着所有的人在地心吸力下下跌，刹那间众人在惊慌中尖叫，就好像将要跌得粉身碎骨一样。在离地面很近的时候，甜甜圈突然减速了，最后安然地停下来。众人在犹有余悸之际，还在兴高釆烈地谈论着刚才的紧张剌激的经历呢！我们在跳楼机中自由下坠时，会感受到一种无重状态，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坠时会失去重量？这又与太空中的无重状态有甚么相似的地方呢？首先想一想为甚么我们平日会感受到身体的重量。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承托力，引力与承托力相等并互相平衡，我们才得以安然地站在地上不动。如果假想承托力消失，我们便会随引力下坠，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，使我们感受到自己身体的重量。早在 17 世纪，伽里略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坠。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塞塔顶掉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影响下跌，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承托力，你便会毫无束缚，完全感受不到身体的重量了。事实上，航天员在穿梭机中感受无重状态，亦是因为他们在引力下自由下坠的原故。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。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 F=(GMm)/(r2)。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 a=F/m。把两式合起来,我们有加速度a便与物体的质量m无关：a=(GM)/(r2)。蹦极如果说跳楼机只是近似完全失重，那蹦极就是真正的完全失重了。蹦极，最简单直接的体验在加速度a=g=9.8m/s2时下落的冲击力。在你跳下的瞬间会有一种灵魂出鞘的惊魂的体验。而当你被拉上去时，又会感觉这一切来得太快也去的太快，你会感觉回味无穷。蹦极是近几年来新兴的一项非常刺激的户外休闲活动。跳跃者站在约40米以上（相当于10层楼）高度的桥梁、塔顶、高楼、吊车甚至热气球上，把一端固定的一根长长的橡皮条绑在踝关节处然后两臂伸开，双腿并拢，头朝下跳下去。绑在跳跃者踝部的橡皮条很长，足以使跳跃者在空中享受几秒钟的“自由落体”。当人体落到离地面一定距离时，橡皮绳被拉开、绷紧、阻止人体继续下落，当到达最低点时橡皮再次弹起，人被拉起，随后，又落下，这样反复多次直到橡皮绳的弹性消失为止，这就是蹦极的全过程。世界最高的蹦极点位于南非东开普省齐齐卡马山中一座名为布劳克朗斯的大桥上，高度为216米，1997年12月开始正式接待游人，至今共计100人次，最小的只有9岁，最长者则是84岁的老人；第二高的蹦极点在瑞士的一个风景点的缆车上，高度为160米；第三高的蹦极点位于新西兰，蹦极高度为134米。1970年，地理学家们再次到这个小岛，摄影家兼作家卡尔穆勒成为第一个尝试这种令人心颤活动的外来人，他形容自己从25米高处跃下时，奇怪地感觉自己似乎停止了思维，极度兴奋后，身体稍有些不适应。1979年4月1日，英国牛津大学冒险俱乐部成员从当地245英尺高的克里夫顿桥上利用一根弹性绳索飞身跳下，拉开了现代蹦极运动的帷幕。但蹦极跳的真正发扬光大是在新西兰。早在1988年，A J 贺克特和克里斯奥拉姆在新西兰成立了第一家商业性蹦极组织反弹跳跃协会。贺克特更是从埃菲尔铁塔上跳下，因而更加引起了世人对蹦极跳的兴趣。同年，约翰考夫曼和他的弟弟在美国加利福尼亚州也成立了一个商业性的蹦极机构。约翰本人就是被电视上的蹦极表演吸引到这个行业中来的，在不到三年的时间里，他们就吸引了1万6千人，每人花费99美元来参加蹦极跳，并把蹦极发展到大桥式蹦极、飞机式蹦极等多种形式。1990年，又开创了热气球蹦极跳。从此大力推广这一运动。到目前为止，世界上有很多国家都已建立了蹦极跳运动基地，例如新加坡、日本、加拿大、澳大利亚以及一些欧洲国家。1997年5月1日，蹦极跳首次传入中国。最近出现了一种全新的飞天蹦极，吸引了众多爱好者。飞天蹦极俗称蹦极球。外形像热气球，下挂完全裸露在外的坐椅，绑好安全带，再加上几个增重的沙袋，此时你只需双脚向地上一蹬，几秒钟后即可飞上数十米的高空，体会云中漫游的感觉。飞天蹦极作为一项新型的休闲娱乐项目，对经营场地要求不高，资金投入小，操作简单、安全性能好（有主力绳、保险绳、紧急绳和强力开关绳四重保险），特别适合在海滨、旅游区、度假村和体育场经营，其球体广告的收益也十分可观。同时还可用于高空定位摄影、辅助表演和高空照明，用途十分广泛。飞天蹦极既无玩热气球的麻烦，又无须具备操纵滑翔伞的技巧，但却拥有和它们同样的升空体验，使人们感受到其惊险、刺激和新颖，成为一项崭新的休闲体育娱乐项目。杭州乐园之风火轮下面我们来谈论一下本地特有的一个游玩项目吧，那就是杭州乐园的风火轮。它虽然没有过山车、跳楼机、蹦极之速度，但绝对是最刺激、最眩晕的游乐项目，也是最为复杂的运动 。要说它的运动原理犹如整个银河系的运行一样，几张铁臂的中心就如同银河系的中心，它在三维的空间里旋转着。而铁臂的末端连着背靠背的四张座位，末端的轴在水平面旋转的同时，四张座位也在竖直平面里上下颠倒着旋转。这类似月球在整个银河系，但似乎比这又更为复杂，因为它每一个部分的运动是在三维空间里的旋转，就好比卢瑟福原子模型中电子围绕原子核的旋转运动一样。坐在风火轮上，就感觉他是一个拥有无穷能量的巨人，不可置信的双重旋转让你仿佛置身一场风暴。碰碰车碰碰车这是一个传统的游玩项目，我们大家再熟悉不过了，但它的运行机制也许你并不了解。碰碰车种机动游戏，设备包括一个室内的场地，天花上有通电的电网。地面则为洒上少量石墨的金属地板。场内有供乘客驾驶的小型电动碰碰车。摇摆机的四周有由橡胶造成的围裙，并由接到天花的垂直电杆取电。车上一般最多坐二人，有加速用的脚踏，和转向的方向盘。工作原理：碰碰车的供电又叫天网式供电：一种用条块状导体组合而成的供电网络，是在一块足够大的绝缘板上，布置若干导电条，相邻导电条的电极性相反，各导电条以适当的方法各自与电源的同名端相连。当一个物体在供电网络里自由活动时，可通过一个滑动触点组从供电网络中吸取电能或电信号。本条块状供电网络，可直接应用于给游乐园中的碰碰车供电。采用这种供电方法的碰碰车活动场所，地面不必再铺钢板，可直接利用普通地面。碰碰车的游戏规则是：驾驶者争取最快在场内完成绕圈，途中可以横冲直撞，把对手的车碰开。当时间到了，游戏结束时操作员把电源关上。碰碰车的速度通常很低，就算是碰撞亦不会损害人车。 最早的碰碰车在1920年代已出现。 地网碰碰车：地网碰碰车需要在专用车场上行驶，比电瓶碰碰车撞击更强，是一种参与性的娱乐设备，游客亲自驾驶,碰、擦、左冲、右撞，防不胜防，令人刺激精彩。电瓶碰碰车：采用环保玻璃钢制品一次成型制作而成，铁件静电喷塑烤漆，配备先进的音响、定位、灯光、定时功能等, 采用24v电瓶电源,仿制动物制成，色彩艳丽，不褪色，具有环保、耐腐蚀、稳固性好、美观、款式新颖、安全性能好，适应场地广泛等特点，是深受市场欢迎和孩子们喜爱的游乐设备。电网碰碰车：无天网碰碰车是一种国内外最流行、最具震撼力的新型地网碰车，它供电的两个电极都是在板上，游客亲自驾驶、左冲、右撞、擦、碰，防不胜防，令人刺激无比。摩天轮在一座广阔的乐园里如何观赏到全貌，那最好的选择就是乘坐摩天轮了。摩天轮最为突出的特点就是高了，当我们乘坐摩天轮行到最高处时，可以俯瞰乐园的全貌，然而这么巨大的设施是如何运行的呢？用电动机通过减速机减速,把高转速低扭矩的转为高扭矩低转速的机械动力.通过一般是轮胎等又弹性有有一定强度的中间机构传到轮盘上.使其低速转动.摩天轮是一种大型转轮状的机械建筑设施，上面挂在轮边缘的是供乘客乘搭的座舱。乘客坐在摩天轮慢慢的往上转，可以从高处俯瞰四周景色。但摩天轮也经常单独存在于其他的场合通常被用来作为会活动的观景台使用。最早的摩天轮由美国人乔治法利士在1893年为芝加哥的博览会设计，目的是与巴黎在1889年博览会建造的巴黎铁塔一较高下。第一个摩天轮重2200吨，可