游乐场中的物理

1、12/12/2021112/12/20212大家都坐过过山车和跳楼机吧！那种奇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，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，就让我们一起蕴含着物理知识。今天，就让我们一起去探求一下吧！去探求一下吧！12/12/20213大家都坐过物理，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！12/12/20214最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目：西班牙的西班牙的“觀音坐蓮觀音坐蓮” 12/12/20215最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目：美

2、國公園的美國公園的“人肉螺旋漿人肉螺旋漿” 12/12/20216最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目：美國大峽谷的美國大峽谷的“死亡電單車死亡電單車” 12/12/20217最刺激娛樂項目：加拿大公園的最刺激娛樂項目：加拿大公園的“雲霄飛車雲霄飛車”12/12/20218這樣的雲霄飛車不知是要飛去哪里這樣的雲霄飛車不知是要飛去哪里12/12/20219這樣的遊戲你敢玩嗎這樣的遊戲你敢玩嗎? ?12/12/20211012/12/202111最刺激娛樂項目：高空遊樂園最刺激娛樂項目：高空遊樂園12/12/202112最刺激娛樂項目：美國迪士尼公園的最刺激娛樂項目：美國迪士尼公園的“升空電梯升空電梯”

3、 12/12/202113最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目：KBKB的的“火山地獄艇火山地獄艇”12/12/202114最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目：美國最著名的美國最著名的“死亡跑道死亡跑道”12/12/202115最刺激娛樂項目：美國的最刺激娛樂項目：美國的“瀑布飛船瀑布飛船”12/12/202116這種過山車你敢坐麼？這種過山車你敢坐麼？12/12/20211712/12/20211812/12/20211912/12/20212012/12/20212112/12/2021221 1 美國皇家峽谷懸索橋蹦極，美國皇家峽谷懸索橋蹦極，321321米米12/12/2021232 2 中國澳

4、門旅遊塔蹦極，中國澳門旅遊塔蹦極，233233米米12/12/20212412/12/202125一一.跳楼机跳楼机二.过山车三三.蹦极蹦极12/12/20212612/12/202127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？ 12/12/202128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

5、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，使我们感受到自己身体的重力。 12/12/202129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

6、无束缚，完全感受不到身体的重力了。 12/12/202130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

7、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12/12/202131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。 12/12/20213212/12/20213312/12/202134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

8、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。12/12/202135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

9、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。12/12/202136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

10、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。12/12/202137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

11、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。 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。12/12/202138

12、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。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。12/12/20213912/12/202140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

13、？第一个点绳子的悬挂点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第二个点是弹性绳从高处自然下垂时的最低点A，此时绳，此时绳长为长为L0，当绳长超过该长时，绳子被拉伸。由于此时运，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。叫做平衡点。 第三个点是系有运动员的弹性绳从高处自然下垂时，即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最后运动员静止时绳子的下端点所处的位置B点。点。12/12/202141第四个点是运动员在运动的过程中

14、所能到达的最低点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。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，到达当运动员从高处跳下之后，到达A点之前，运动员的点之前，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

15、动员大。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。力的作用，整个过程运动员向下作匀加速运动。12/12/202142第二个过程，从绳子的自然下垂点第二个过程，从绳子的自然下垂点A到受力平衡点到受力平衡点B。当。当运动员从绳子的自由长度运动员从绳子的自由长度A继续向下运动时，此时绳子开继续向下运动时，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，且不始被拉伸，弹性

16、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直会持续到B点，即挂在绳子下的运动员最后静止是时的点，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，从知，从A点到这个平衡位置，运动员的动能还是在不断增点到这个平

17、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。性绳的弹性势能。12/12/202143由刚才的分析我们还知道，当运动员到达平衡位置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，所以到达平衡位受到的合力为零，即运动员的加速过程宣告结

18、束，所以到达平衡位置时运动员的速度达到最大。置时运动员的速度达到最大。 第三个过程从受力平衡点第三个过程从受力平衡点B到最低点到最低点C。运动员从受力平衡点继续。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，重弹性