ฟิสิกส์ของรถไฟเหาะนั้นทั้งซับซ้อนและเรียบง่าย แต่หากไม่มีอิทธิพลของวิทยาศาสตร์สาขานี้ เครื่องเล่นสุดมหัศจรรย์เหล่านี้จะไม่ขยับแม้แต่นิ้วเดียว
ฟิสิกส์คืออะไร
ฟิสิกส์คือการศึกษาเรื่องสสารและพลังงาน และแรงที่ต่างกันมีปฏิสัมพันธ์และมีอิทธิพลต่อกันอย่างไร ตั้งแต่แรงโน้มถ่วง ความเร่ง ไปจนถึงแรงเสียดทาน ฟิสิกส์เป็นศาสตร์หลักเบื้องหลังความสำเร็จของรถไฟเหาะทุกคัน ไม่ว่าเครื่องเล่นจะเป็นรถไฟเหาะตัวเล็กธรรมดาหรือเครื่องกรีดร้องที่ซับซ้อน เครื่องเล่นทั้งหมดจะต้องปฏิบัติตามหลักการทางฟิสิกส์เดียวกันเพื่อความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ
ฟิสิกส์ของรถไฟเหาะ: แนวคิดหลัก
หลักฟิสิกส์พื้นฐานที่สุดที่ส่งผลต่อรถไฟเหาะคือสุภาษิตที่ว่า "อะไรขึ้นก็ต้องลงมา" อย่างไรก็ตาม กระบวนการของการ "ลงมา" นั้นบิดเป็นวง โค้ง เนินเขา และการกลับด้าน ต้องใช้ความรู้เฉพาะทางมากขึ้น แนวคิดฟิสิกส์รถไฟเหาะที่สำคัญ ได้แก่:
- Gravitation: แรงโน้มถ่วงคือแรงที่ดึงวัตถุทั้งหมดเข้าหาศูนย์กลางโลก และเป็นแนวคิดทางฟิสิกส์ที่สำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวที่เกี่ยวข้องกับรถไฟเหาะ โดยพื้นฐานแล้ว เมื่อรถไฟเหาะหลุดออกจากการยกโซ่หรือแรงขับเคลื่อนในตอนแรก แรงโน้มถ่วงจะช่วยให้แน่ใจว่ารถไฟจะวิ่งไปจนสุดเส้นทาง ผู้ขับขี่ยังรู้สึกถึงแรงโน้มถ่วงในแง่ของแรงทั้งเชิงบวกและเชิงลบที่ดูเหมือนจะผลักผู้ขับขี่ให้ลึกลงไปในที่นั่งหรือดึงพวกเขาออกจากที่นั่ง ซึ่งเป็นความรู้สึกที่น่าตื่นเต้นที่ผู้แสวงหาความตื่นเต้นหลายคนชื่นชอบ
- พลังงานศักย์และพลังงานจลน์: แนวคิดทั้งสองที่เกี่ยวข้องกันนี้ควบคุมการเปลี่ยนแปลงความเร็วและความสูงของรถไฟเหาะพูดง่ายๆ ก็คือ ยิ่งวัตถุอยู่สูงจากพื้นเท่าไร พลังงานศักย์ก็จะยิ่งมีมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ มีศักยภาพที่จะเพิ่มความเร็วเมื่อมันตกลงมา เมื่อมันตกลงสู่พื้น พลังงานศักย์นั้นจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์หรือพลังงานแห่งการเคลื่อนที่ ผลรวมของพลังงานทั้งสองประเภทนั้นคงที่ แต่รถไฟเหาะจะต้องรักษาสมดุลของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ที่เพียงพอเพื่อสร้างเครื่องเล่นที่น่าตื่นเต้น
- การเร่งความเร็ว: มักสับสนกับความเร็ว ความเร่งคือการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงได้ทั้งความเร็วหรือทิศทาง ดังนั้น รถไฟเหาะจึงเร่งความเร็วผ่านวงรอบและโค้งแม้ว่าความเร็วจะคงที่ก็ตาม
- แรงเสียดทาน: สูตรทางฟิสิกส์และการคำนวณต้องมีแรงเสียดทานเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับรถไฟเหาะ เนื่องจากการเสียดสีเป็นแรงที่ทำให้การเดินทางช้าลงอย่างมาก การสัมผัสกันระหว่างรถไฟกับอากาศ และระหว่างล้อกับราง ล้วนสร้างแรงเสียดทานระหว่างการเดินทาง
แนวคิดฟิสิกส์เพิ่มเติม
นอกเหนือจากหลักการสำคัญเหล่านี้สำหรับฟิสิกส์ของรถไฟเหาะแล้ว แนวคิดทางฟิสิกส์อื่นๆ ยังส่งผลต่อวิธีการทำงานของรถไฟเหาะและมีความสำคัญไม่แพ้กันสำหรับการขับขี่ที่ปลอดภัยและสนุกสนาน
- ความดัน: ระบบเบรกรถไฟเหาะหลายระบบทำงานโดยแรงดันอากาศ และความกดดันนั้นจะต้องเพียงพอที่จะหยุดทั้งรถไฟว่างและรถไฟบรรทุกสินค้าโดยไม่ทำให้ผู้โดยสารได้รับบาดเจ็บหรือออกแรงกดมากเกินไป โครงสร้างการขับขี่
- Optics: เซ็นเซอร์ออปติคัลช่วยให้ระบบคอมพิวเตอร์ควบคุมตำแหน่งการขับขี่และวิธีการทำงาน
- Magnetism: เครื่องเล่นไฮเทคจำนวนมากใช้แม่เหล็กไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็นรูปแบบการขับเคลื่อนหรือการเบรก และแม่เหล็กจะต้องได้รับการจับเวลาอย่างแม่นยำและปรับเทียบเพื่อให้ทำงานได้อย่างปลอดภัย
- ไฟฟ้า: ไฟฟ้าที่เหมาะสมมีความสำคัญต่อรถไฟเหาะ ตั้งแต่การวิ่งจริงไปจนถึงการเปิดไฟที่ประดับรถไฟเหาะ
สิ่งจำเป็นทางวิทยาศาสตร์เพิ่มเติม
ฟิสิกส์ไม่ใช่ศาสตร์เดียวที่จำเป็นสำหรับรถไฟเหาะที่ดำเนินไปอย่างราบรื่นและน่าตื่นเต้น เมื่อเครื่องเล่นได้รับการออกแบบ วิศวกรและเจ้าหน้าที่อุทยานจะต้องพิจารณา:
- Biology: ความเครียดจากการนั่งรถจะส่งผลต่อผู้ขับขี่อย่างไรเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้การเดินทางครั้งนี้สนุกสนานหรือเจ็บปวดหรือไม่ การขับขี่ที่ออกแบบมาไม่ดีอาจทำให้หน้ามืด ปวดหัว และบาดเจ็บอื่นๆ ได้
- ธรณีวิทยา: รถไฟเหาะเหล็กสมัยใหม่มีน้ำหนักหลายร้อยตัน และความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับธรณีวิทยาของอุทยานเป็นสิ่งจำเป็นในการวางตำแหน่งรถไฟเหาะบนพื้นผิวที่มั่นคงและรองรับได้ Cedar Point เป็นตัวอย่างของสวนสาธารณะที่ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากมีรถไฟเหาะ 17 เครื่องวางอยู่ริมฝั่งทะเลสาบและรอบๆ ทะเลสาบที่มีหนองน้ำ
- ภูมิอากาศวิทยา: สภาพอากาศที่รถสร้างขึ้นสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประเภทของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง
- Psychology: การตั้งชื่อ ตกแต่ง และโปรโมตเครื่องเล่นนั้นต้องอาศัยความเข้าใจอย่างละเอียดเกี่ยวกับจิตวิทยาเพื่อดึงดูดนักปั่น
เรียนฟิสิกส์กับรถไฟเหาะ
เนื่องจากมีแนวคิดทางวิทยาศาสตร์มากมายที่ใช้ในการออกแบบ สร้าง และใช้งานรถไฟเหาะ สวนสนุกหลายแห่งจึงจัดกิจกรรมวันฟิสิกส์ และเชิญโรงเรียนในท้องถิ่นมาทดสอบความรู้กับเครื่องเล่นในสวนสนุก ครูฟิสิกส์อาจกำหนดให้นักเรียนวัดความเร็ว มุม ความเร็ว ความเร่ง และข้อเท็จจริงเกี่ยวกับรถไฟเหาะอื่นๆ เพื่อตอบคำถาม ในขณะที่สวนสาธารณะบางแห่งมีการแข่งขันสำหรับวิศวกรรถไฟเหาะผู้มุ่งมั่นเพื่อออกแบบเครื่องเล่นและสร้างแบบจำลองของตนเอง กิจกรรมนี้อาจเป็นกิจกรรมที่สนุกสนานและให้ความรู้สำหรับนักเรียนฟิสิกส์ตั้งแต่ระดับประถมศึกษาจนถึงระดับวิทยาลัย
แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม
สนใจที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับฟิสิกส์ของรถไฟเหาะหรือไม่ ลองใช้รถไฟเหาะ Funderstand ออนไลน์ ซึ่งคุณสามารถปรับขนาดของเนินเขา วงเวียนแนวตั้ง แรงเสียดทานและแรงโน้มถ่วง ฝึกมวลและปัจจัยอื่นๆ เพื่อดูแนวคิดทางฟิสิกส์ในการดำเนินการ