过山车可能是令人呕吐和催泪的刺激机器，但它们也是复杂物理学起作用的迷人例子。
让一系列汽车通过跌落、翻转、滚动和发射的结，需要机械工程师团队分析力、加速度和能量等概念。为了了解我们最喜欢的游乐设施背后的科学原理，我们采访了普渡大学机械工程学院教授兼该大学过山车动力学课程的创建者杰弗里·罗兹 (Jeffrey Rhoads)。
完成电路
让我们从基础开始。过山车和其他任何东西一样，必须遵守能量守恒定律，这意味着火车只能在存储（潜在）能量允许的范围内尽可能快地行驶。
势能通常来自用链条或电缆将火车抬上山坡。当火车沿着山坡行驶时，势能转化为运动（动）能；火车开得越快，它的动能就越多。
当汽车爬上随后的山坡时，动能又会转化为势能。因为汽车必然会通过摩擦和空气阻力等力损失一些能量，这是传统过山车的最高点（想想：六旗魔术山的 歌利亚 或者 扭曲巨像 游乐设施）几乎总是第一座山。如果有另一个比第一个大的降幅更大，设计师会增加更多的升降机（想想：迪士尼飞溅山尽头的大降幅）。
你最喜欢的过山车背后的物理学 图片来源：Nicole Mays/Flickr（抄送 2.0）
一些过山车下降超过 90 度，在升降机山顶向内弯曲，就像 瓦尔拉文 在雪松点。物理原理是一样的，但 Rhoads 说这些水滴可以提供更敏锐的失重感。
其他过山车，如六旗大冒险的 Kingda Ka 或 Cedar Point 的 Top Thrill Dragster，将能量储存在发射器、流体或气压驱动的弹球柱塞或轨道和汽车内置的电磁铁中。发射过山车不需要巨大的升降山（这可以节省大量空间），并提供不同类型的预期刺激。 Rhoads 说，大型公园需要各种骑手体验，而发射过山车是改变这种感觉的好方法。
循环、翻转和转弯
工程师通过加速产生快感——基本上以高度设计的、不自然的方式改变骑手的速度。过山车工程师利用牛顿运动定律让骑手感受到重力和加速度的共同作用，从而产生令人兴奋的、不寻常的身体感觉。环、开瓶器和急转弯迫使骑手的以计算的方式垂直和水平地放置物体。
有没有想过为什么环是泪珠状的，而不是圆形的？挑战在于设计进出循环的过渡，”Rhoads 说。 '你需要确保你没有引起颠簸，或可能导致鞭打的加速度变化。任何做圆周运动的物体都会经历另一种加速度，称为向心加速度，汽车越快或圆越小，加速度越大。圆环会由于向心加速度的突然增加而引起震动。泪珠形状控制加速度，让骑手轻松通过环路并防止猛烈撞击。
你最喜欢的过山车背后的物理学 图片来源：Howard Sayer/Getty Images
然后是滚动，这可以通过多种方式使骑手迷失方向。 Inline Twiss 是围绕轨道旋转火车的滚动，但 Heartline 滚动试图让骑手绕着他们的胸部旋转。 索普公园的巨像 （上图）是工作中心线滚动的最佳示例——90 秒的骑行拥有 10 次倒转，包括连续四次心线滚动。 Rhoads 说，我们会看到更多的 [过山车] 一个接一个地连续滚动，因为它会造成大量的迷失方向。
木与钢
木制杯垫不能很好地容纳环，因此它们通常比钢杯垫更容易迷失方向。那么为什么有些车手更喜欢它们呢？人们......喜欢期待，他们的摇摇欲坠，让他们有点兴奋。 Rhoads 说，他们想要感觉结构在他们下面移动。钢制杯垫几乎完全相反。这就像驾驶古董车与驾驶最新的跑车。
你最喜欢的过山车背后的物理学 信用：洛杉矶时报通过盖蒂图片社
木制过山车往往没有环或卷，因为它需要太多的木材来支撑沉重的过山车列车的力量。 哈迪斯 360 在山。奥林巴斯 在威斯康星州，用钢脚手架支撑在木轨道上滚动。
下一代杯垫
通过上下和上下颠倒，您可以通过多种方式将人们扔在小推车中。一些骑行制造商创建了独立于汽车滚动的隔间，围绕垂直于轨道的轴旋转，这增加了更多的翻转，而无需更多的循环。你真的可以在 The 六旗大冒险中的小丑 （以下）。
不过，过山车的体验不仅仅是它们加速度的总和。其他建筑商正在添加灯光、烟雾、将过山车送入地下，并添加头足斩波器、关闭但不太靠近的酒吧，提供额外的刺激和/或恐怖元素。 Rhoads 说，这就是我们将要遵循的轨迹。更大和更快的时间将不再可能。